Что будет происходить при увеличении высоты парусов
Н. В. Григорьев, Д. Н. Коровельский, Е. П. Леонтьев
Школа яхтенного рулевого
Невозможно точно установить, когда и кем изобретен парус. Но совершенно очевидно, что парус — это целая эпоха в истории человечества, изобретение столь же гениальное, как и изобретение колеса. И если колесо помогло человеку в преодолении земных пространств, то парус позволил ему оторваться от берега и познать мир, добраться до самых удаленных его уголков.
Бесстрашные плавания по далеким морям на утлых кораблях, построенных из дерева и вооруженных парусами, дали возможность человечеству расширить границы познания вселенной, узнать и открыть для мира то, что долго оставалось скрытым от него.
Только в России в первой половине прошлого века было снаряжено свыше сорока экспедиций, совершивших под парусами дальние и кругосветные плавания, сопровождавшиеся крупными научными открытиями. Имена наших великих соотечественников — русских мореплавателей я ученых можно найти на многих точках географической карты мира.
Эпоха паруса, насчитывающая несколько тысячелетий. закончилась немногим более полстолетия назад. К концу ее мастерство плавания под парусами достигло небывалого расцвета, и парусники являлись полными хозяевами морских и океанских просторов. Плавание на парусных кораблях воспитывало превосходных моряков, знавших тысячи способов безопасного управления судном в любых условиях плавания, понимавших все капризы морской погоды и умевших выжать все из, казалось бы, ограниченных возможностей судна.
В сложных условиях плавания под парусами сложилась своеобразная романтика — романтика мужественных людей, лихих моряков, не знающих страха в океане и любящих море больше самой жизни.
Лучшие из лучших капитанов-парусников оставались привязанными на всю жизнь к судну, которому они отдавали свою душу. Блестящими знатоками парусного дела были великие русские адмиралы Ушаков и Нахимов. До конца дней своих сохранил любовь к парусу и советский парусный капитан Д. А. Лухманов, автор широко известной автобиографической повести «Соленый ветер». Более двадцати лет командует советским учебным парусником «Крузенштерн» капитан И. Г. Шнейдер.
Ныне парус утратил свое главенствующее положение на море. Но утверждать, что искусство плавания под парусами сейчас не нужно, было бы неверным. Хотя бы потому, что парус прочно завоевал свое место в спорте. Сочетая в себе спортивные и прикладные элементы, парусный спорт — превосходное средство воспитания. Всем, кто хочет познать этот трудный, но интересный и романтичный вид спорта, стать наследником «выжимателей ветра» прошлого, адресована эта книга.
Она является вторым, в значительной степени переработанным и дополненным изданием книги «Школа яхтенного рулевого», вышедшей в. свет в 1967 г.
Переработка произведена с учетом критических замечаний и пожеланий, полученных авторами от ряда тренеров и преподавателей парусного спорта, а также от отдельных яхтсменов.
Учебный материал, содержащийся в книге, изложен в соответствии с действующими программами для подготовки яхтенных рулевых, до рулевого 1 класса включительно.
Книга написана коллективом авторов в составе Н. В. Григорьева, Д. Н. Коровельского и Е. П. Леонтьева.
Авторы благодарят яхтенных капитанов Ю. А. Пантелеева, Е. Г. Кошелева и В. П. Коноводова за помощь, оказанную при рецензировании книги.
Парусный спорт в России
Пусть заводятся и на других озерах, реках и прибрежьях вашей обширной России другие такие же потешные эскадры. В этих флотилиях и эскадрах лежит будущность нашего флота…
Яхта Невского флота
Возникновение парусного спорта в России связано с именем Петра I. Испытывая большую нужду в хорошо обученных матросах и офицерах для молодого русского флота, Петр I использовал для подготовки моряков малые суда.
«Для увеселения народа, наипаче же для лучшего обучения и искусства по водам и смелости в плавании» Петр I в 1713 г. учредил в Петербурге «Потомственный Невский флот» — прообраз всех современных яхт-клубов, отечественных и зарубежных.
Организация Невского флота завершилась в 1718 г., когда по указу Петра различным лицам и государственным учреждениям были розданы гребные лодки-верейки, парусные яхты и буера[1] с одним лишь условием — содержать их в порядке. Все они были построены на специально созданной для этой цели «Партикулярной верфи». Во главе Невского флота Петр поставил одного из лучших моряков-стольника Ивана Потемкина, прозванного впоследствии «Невским адмиралом». Невский флот имел четкую, хорошо продуманную организацию и свои, утвержденные Адмиралтейств-коллегией, устав и флаг.
Составленный лично Петром I устав строго регламентировал деятельность Невского флота, определял обязанности владельцев судов и содержал наставления по использованию, ремонту и хранению судов и их парусного вооружения. Были в нем также практические указания по производству эволюции во время совместного плавания, таблица необходимых сигналов и т. п.
Придавая большое значение деятельности Невского флота, Петр лично участвовал почти во всех его выходах к Ладоге или к острову Котлин. После смерти Петра Невский флот распался. Он не был яхт-клубом в современном понимании. Да и понятия такого тогда не существовало. Но по своей форме (наличие специально построенных судов, свой флаг и устав, особая одежда для экипажей судов) и задачам (организация и подготовка людей для службы на море в сочетании с отдыхом и развлечениями на воде) Невский флот был прямым предшественником русских и советских яхт-клубов.
Первым официальным русским яхт-клубом был основанный в 1846 г. Императорский Санкт-Петербургский яхт-клуб, в члены которого принимались только дворяне.
8 июля 1847 г. Императорский яхт-клуб провел первую в истории русского парусного спорта гонку яхт. Проходила она по ромбовидной дистанции в Финском заливе, у Толбухина маяка, по английским правилам тех лет. Участвовало в этой гонке всего семь яхт: три шхуны и четыре тендера. В 1849 г. впервые были проведены гонки по треугольной дистанции, а в 1852 г. — первая в России международная встреча русских и английских яхтсменов, победу в которой одержали англичане.
Члены Императорского яхт-клуба ходили и в крейсерские плавания, часто за пределы Балтийского моря. Наиболее значительными были плавания лейтенанта Атрыганьева на тендере «Нереида» вокруг Европы, из Кронштада в Николаев и обратно в 1846–1847 гг. и командора яхт-клуба Лобанова-Ростовского на шхуне «Рогнеда» в Южную Америку в 1851–1853 гг.
К 1859 г. активная деятельность Императорского яхт-клуба закончилась. Постепенно он превратился в фешенебельное собрание высшей аристократии, не имевшей к спорту никакого отношения.
К этому времени парусным спортом начали увлекаться столичное состоятельное чиновничество и интеллигенция, которым был закрыт доступ в Императорский яхт-клуб. В 1858 г. несколько таких любителей водного спорта организовали кружок, назвав его «Моряк на все руки». Этот кружок привлек к себе внимание петербуржцев, и уже в 1859 г. на его базе была создана спортивная организация любителей гребного и парусного спорта под названием «Клуб Невских ботиков». После утверждения в Морском министерстве устава новый клуб получил официальное наименование «Санкт-Петербургский Речной яхт-клуб» и 21 мая 1860 г. открыл свой первый спортивный сезон.
Через пять лет Речной яхт-клуб[2] насчитывал в своем составе около двухсот членов и имел спортивный флот — более 80 гребных и парусных судов. Помимо организации и проведения гонок Речной яхт-клуб заботился о развитии спортивного судостроения: созданная в 1864 г. шлюпочная мастерская яхт-клуба строила самые разнообразные суда — от гребных ботиков до многотонных яхт.
Что будет происходить при увеличении высоты парусов
УВЕЛИЧЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПАРУСОВ
Современное вооружение типа бермудский шлюп очень эффективно при плавании острыми курсами и менее эффективно на полных курсах в легкие ветры. Часто для повышения ходовых качеств яхты увеличивают площадь парусов. Гоночные экипажи на полных курсах обычно дополняют большие спинакеры другими парусами, такими как блупер, для максимального увеличения скорости (см. с. 210). Яхтсмены, плавающие на крейсерских яхтах, постоянно спорят о необходимости использования спинакера. Противники спинакера считают, что требуемая установка специального оборудования для него значительно усложняет управление парусами и в особенности спинакером при усилении ветра. Однако капитану крейсерской яхты не следует отказываться от использования спинакера в слабый и умеренный ветры, если это позволяют его личный опыт и квалификация команды. Проведя определенные тренировки и научившись пользоваться парусом, экипаж не будет испытывать трудностей в управлении им. В более сильные ветры большинство крейсерских яхт, идя полными курсами под гротом и стакселем, будут иметь достаточно высокую скорость и отпадет необходимость подъема спинакера. Если вы не используете спинакер, то повысить скорость яхты в слабый ветер на попутных курсах можно несколькими способами, которые будут описаны ниже.
Спинакер крейсерской яхты ставят так же, как и спинакер швертбота (см. с. 112), хотя его размеры значительно больше, сделан он из более тяжелой ткани и требует более сложной системы управления. Техника обращения со спинакером на крейсерской яхте и на швертботе практически одинакова. Основные методы постановки спинакера, выполнения поворота фордевинд и спуска его с использованием обычной системы спинакер-гика показаны на с. 118.
Крейсерско-гоночные яхты на курсе бакштаг под спинакерами
Показана общая система для всех крейсерских яхт. Топенант и оттяжка спинакер-гика проведены в кокпит соответственно от мачты и через блок на баке
Предварительно необходимо убедиться, что спинакер уложен в мешок правильно (без перекручивания). Его поднимают прямо из мешка, который крепится к носовому релингу или, если у вас поставлен стаксель, к подветренной части носового релинга. Спинакер-фал закрепляют к фаловому углу, шкот и брас к каждому шкотовому углу, как это показано на рисунках. Шкот и брас проводят с внешней стороны такелажа через соответствующие блоки, находящиеся в корму от лебедок. При постановке спинакера брас (наветренный) и шкот (подветренный)растравлены. Удерживая яхту на курсе бакштаг при работающем стакселе, пристегните нок спинакер-гика к наветренному углу спинакера, а пятку вставьте в стакан на мачте. Поднимите внешний конец спинакер-гика, пользуясь топенантом спинакер-гика, пока он не придет в горизонтальное положение. Обтяните оттяжку спинакер-гика. Поставьте парус. Выбирайте фал, накинув один шлаг на лебедку. После постановки спинакера выберите брас и шкот и спустите стаксель.
Мешок со спинакером прикреплен к носовому релингу. Углы паруса с заведенными фалом, шкотом и брасом снаружи
Спинакер-гик поднят, но его не отводят от штага, пока ставят спинакер
Спинакер полностью поставлен, брас и шкот выбирают так, чтобы парус мог наполниться ветром
ПОВОРОТ ФОРДЕВИНД СО СПИНАКЕРОМ
Выбранный метод выполнения поворота фордевинд со спинакером зависит от типа оснастки спинакер-гика. Если яхта оснащена гиком с двумя одинаковыми клювами (т. е. он может быть закреплен у мачты любым концом), рекомендуется воспользоваться методом, описанным для швертботов на с. 118. Однако большинство крейсерских яхт оснащены системой, аналогичной показанной на предыдущей странице, когда топенант и оттяжка крепятся к внешнему концу спинакер-гика. В этом случае техника выполнения поворота фордевинд будет следующая. Отстегните гик от браса, используя тросик дистанционной отдачи карабина, и опустите внешний конец гика, потравив топенант так, чтобы он прошел „чисто» от штага, и переведите гик на другой борт. Пристегните спинакер-гик к брасу этого борта. Поднимите гик на нужную высоту, когда рулевой переложит грот, выполняя поворот фордевинд. Отрегулируйте топенант и оттяжку спинакер-гика, а также шкот и брас спинакера соответственно новому курсу.
Один член команды травит топенант, а другой переносит спинакер-гик с одного борта на другой
Матрос, находящийся на носовой палубе, пристегивает спинакер-гик к новому брасу
После поворота фордевинд спинакер-гик поднимают и бегучий такелаж спинакера регулируют
Когда натяжение спинакер-фала ослаблено, спинакер надо убрать под палубу как можно быстрее
Перед уборкой спинакера поставьте стаксель, чтобы спинакер не намотался на штаг. Затем рулевой должен положить яхту на курс бакштаг. Потравите брас так, чтобы спинакер-гик подошел к штагу. Один член команды затем отдает брас от паруса. Как только парус освободится, другой член команды, находящийся в районе рубки, должен втянуть за шкот подветренный шкотовый угол. Затем травят фал и собирают спинакер из-под грота в кокпит или каюту. Не следует травить фал слишком быстро, так как парус может лечь на воду.
Другой альтернативой будет использование специального спинакера без гика (спенкер). В отличие от обычного спинакера он асимметричен, его ставят на спинакер-фале и галсовый угол крепят к носовой оковке. Управлять спенкером значительно проще, чем обычным спинакером, так как не требуется использование гика и браса. Поставив этот парус, капитан крейсерской яхты обеспечит ей дополнительную тягу на попутных курсах, близких к бакштагу.
Постановка стакселя на спинакер-гике
Чтобы поставить стаксель на спинакер-гике, пристегните спинакер-гик к мачте и прикрепите к нему топенант и оттяжку. Закрепите стаксель-шкот на клюве гика. Поднимите гик на уровень шкотового угла и установите его под углом к ДП примерно 50°. Поставьте стаксель на „бабочку», потянув за шкот, и обтяните оттяжку и топенант спинакер-гика
Для управления спинакером без гика (спенкером) необходимо меньшее количество снастей. Парус настраивают, когда он наполнится ветром; его галсовый угол крепят к носовой оковке
Крейсерский кеч идет в легкий ветер курсом фордевинд. Площадь парусов увеличена постановкой двух стакселей на „бабочку» на двойном штаге
После поворота фордевинд яхта начала уходить в брочинг, возможно, в результате того, что гика-шкот перебран
При установке завал талей прикрепите их к ноку гика, желательно карабином. Проведите их вперед,обнеся снаружи зант, и заложите за носовую утку. Можно провести завал-тали через носовой клюз или блок и далее назад в кокпит, как показано на рисунке
Парус является таким же движителем для яхты, как гребной винт для моторного судна. С его помощью энергия ветра преобразуется в силу тяги, движущую парусник. От того, насколько грамотно спроектировано парусное вооружение судна и насколько умело его экипаж использует средства для настройки и управления парусами, зависит коэффициент полезного действия парусов и, в конечном счете — скорость судна на любом курсе относительно ветра.
Современная теория косого паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе II. Механика возникновения аэродинамических сил на парусе, изготовленном из ткани, в принципе аналогична таковой для жесткого профилированного 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:
— площади поверхности паруса;
— профиля его поперечного сечения;
— угла установки паруса по отношению к набегающему на него потоку воздуха (вымпельному ветру) и скорости ветра;
— аэродинамического удлинения и формы контура паруса.
Рис. 200. Режим обтекания паруса и распределение пониженного давления (разрежения) по ширине профиля в зависимости от угла атаки α.
Эффективный парус должен иметь правильный выпукло-вогнутый профиль поперечного сечения по всей высоте, называемый яхтсменами «пузом». Исследования, проведенные на моделях парусов, изготовленных из металла, позволили выявить ряд особенностей обтекания паруса по сравнению с жестким толстым профилем (см. рис. 49). Уже при малом угле атаки критическая точка a перемещается на наветренную сторону паруса и поток воздуха огибает острую переднюю кромку с высокой скоростью (рис. 200, а). Вследствие этого на подветренной стороне паруса близ передней кромки образуется большое разрежение, под влиянием которого пограничный слой отрывается от поверхности паруса, на спинке профиля образуется вихревой пузырь. При достаточно высокой скорости вымпельного ветра поток быстро поглощает энергию вихрей и пограничный слой вновь присоединяется к поверхности профиля на некотором расстоянии от передней кромки паруса (рис. 200, б). По мере увеличения угла атаки размеры вихревого пузыря растут, что вносит существенные изменения в распределение пониженного давления — разрежения на подветренной стороне паруса и, следовательно, сказывается на величине подъемной силы. При углах атаки около 5° начинается отрыв пограничного слоя: достигается наивысшее разрежение, пик которого расположен близ передней кромки паруса. При α = 6° величина разрежения уменьшается и эпюра его распределения вдоль профиля становится более плавной. При этом вихревой пузырь охватывает около 25 % хорды профиля b. При дальнейшем увеличении угла атаки до 9° пузырь охватывает всю ширину профиля; пика разрежения практически нет — оно равномерно распределено по всей ширине профиля и примерно в 2,5 раза меньше по величине, чем при угле атаки 4° (рис. 200, в). Следовательно, и подъемная сила оказывается меньше на такой же порядок, а лобовое сопротивление профиля возрастает.
На реальном парусе вихревой пузырь можно представить в виде цилиндрического валика, распространяющегося по всей высоте паруса. Чем больше выбран шкот, тем больше угол атаки и тем большая часть подветренной поверхности паруса оказывается охваченной вихревым валиком. Величина критического угла атаки, при котором подъемная сила перестает расти, зависит от глубины f профиля паруса, его аэродинамического удлинения (оно вычисляется так же, как и для крыла — в виде отношения размаха — высоты паруса H к его средней хорде b), 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 момент срыва потока с грота смещается в сторону больших углов 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 16—10°; на острых курсах они уменьшаются до 5—8°. При увеличении угла атаки сверх критического подъемная сила падает при одновременном росте лобового сопротивления. При α = 90° подъемная сила на парусе не возникает; он обладает только лобовым сопротивлением.
Рис. 201. Поляра паруса
Поляра паруса. Характеристикой аэродинамических качеств паруса является поляра — график изменения подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления и угла атаки (рис. 201). Для того чтобы поляру можно было применить к парусу любых размеров, по осям координат откладывают не значения сил, а безразмерные коэффициенты подъемной силы Cy и лобового сопротивления Cx. Данные для построения поляр получают в результате продувок моделей парусов в аэродинамических трубах.
С помощью поляры, помимо величин подъемной силы и лобового сопротивления, можно определить и их составляющие — силы тяги и дрейфа. Опустив, например, из точки поляры, соответствующей углу атаки α = 20°, перпендикуляр на ось движения яхты, можно найти коэффициент силы тяги Cт как отрезок прямой OA. Длина самого перпендикуляра AB является коэффициентом силы дрейфа CD.
Поляра паруса позволяет определить наивыгоднейший угол установки парусов 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 (на рис. 201 наивыгоднейший угол атаки паруса равен около 14° — точка касания C на поляре).
Рис. 202. Влияние пуза паруса на величину подъемной силы и лобового сопротивления.
Поперечный профиль паруса. Основным фактором, влияющим на величину аэродинамических сил на парусе и тяговые характеристики, является его профиль, т. е. форма и размеры «пуза». На рис. 202 представлены поляры четырех жестких моделей бермудских парусов, имеющих удлинение λ = 4 и отстояние максимальной глубины пуза от передней шкаторины, равное 1 /3 хорды. Анализируя поляры, можно сделать вывод, что с уменьшением глубины пуза качество паруса возрастает благодаря снижению коэффициента лобового сопротивления (на рис. показано горизонтальной стрелкой). Максимальная подъемная сила паруса, наоборот, растет по мере увеличения глубины пуза (показано наклонной стрелкой).
Поляры, приведенные на рис. 202, позволяют оценить качество парусов в зависимости от глубины их профиля f. Например, если яхта идет в бейдевинд под углом 30° к вымпельному ветру, то наибольшую тягу даст тот парус, касательная к поляре которого — перпендикуляр к линии пути судна — будет отстоять дальше от точки O, чем такие же касательные, проведенные к другим полярам. В данном случае наиболее выгодным оказывается парус с относительной глубиной пуза f/b = 1/10. Однако можно заметить, что по сравнению с более плоским парусом f/b = 1/15 преимущество в тяге будет невелико, зато сила дрейфа оказывается существенно выше. Поэтому использовать более пузатый парус имеет смысл только в слабый ветер, когда абсолютная величина силы дрейфа невелика. В свежий ветер плавание с таким парусом будет сопровождаться большим креном и дополнительным сопротивлением движению яхты, так что в конечном счете выигрыш в скорости не получается.
Рис. 203. Эффект распределения разрежения на подветренной стороне паруса на результирующую аэродинамическую силу A: а — эпюра распределения разрежения; б — результирующие силы на парусе.
1 — парус с максимальным пузом, расположенным на расстоянии 0,40b от передней шкаторины; 2 — парус с пузом, расположенным на расстоянии 0,60b от передней шкаторины. Y1 и Y2 — подъемная сила; T и R — проекции силы А на направление ветра.
Еще более пузатые паруса f/b = 1/5 и 1/4 на курсе бейдевинд не только не дают увеличения силы тяги, но и отличаются намного большей силой дрейфа. Более высокий коэффициент подъемной силы пузатых парусов может быть реализован лишь на полных курсах, например, на галфвинде, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения (см. рис. 194). На практике это качество пузатых парусов используется путем смены на полных курсах лавировочных передних парусов на дрифтер-геную, блупер или спинакер. В качестве же основных (лавировочных) парусов для средних ветров (2—4 балла) на крейсерско-гоночных яхтах применяют паруса с пузом f/b = 0,09÷0,10. Для слабого ветра выгодны паруса, имеющие пузо f/b = 0,12, при ветре свыше 5 баллов — паруса с пузом не более f/b = 0,06 или 1/17—1/25).
Кроме величины пуза, большое влияние на тяговые характеристики паруса оказывает место расположения максимальной выпуклости профиля от передней шкаторины. На рис. 203 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 и при угле атаки 15°. 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% от передней шкаторины. У второго паруса (максимальное пузо расположено в 60 % хорды 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 эффектность паруса снижается как вследствие падения подъемной силы, так и роста сил сопротивления, тормозящих ход судна. Лавировочные паруса поэтому 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.
Форма и удлинение паруса. В свете современных знаний в области аэродинамики крыла наиболее выгодным был бы парус с эллипсовидной верхней частью. В верхней части паруса образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную — в область разрежения. Вследствие этого образуются вихри, срывающиеся с кромки паруса и уходящие в пространство. 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. Вблизи этих шкаторин поперечный поток отклоняет вымпельный ветер, натекающий на парус, вследствие чего угол атаки паруса здесь увеличивается, а подъемная сила соответственно падает.
У паруса с эллипсовидной верхней частью величина подъемной силы благодаря плавному уменьшению площади вверху паруса также плавно убывает. Плавно убывает и интенсивность перетекания воздуха через кромки; не столь заметны местное изменение угла атаки натекающего на парус потока воздуха и соответствующие потери подъемной силы. Испытания подобного паруса, поставленного на мачте с изогнутой верхней частью, показали увеличение подъемной силы от 10 до 30 % по сравнению с обычным бермудским парусом, что дает повышение скорости лавировки на ветер порядка 4 %.
Эксперименты показали также, что, если верхнюю часть треугольного бермудского паруса срезать на 15 % высоты от фалового угла, то его тяга на острых курсах практически не уменьшится. Это связано с малоэффективной работой верхней части паруса как вследствие закручивания — уменьшения угла атаки, так и увеличенного размера мачты по отношению к хорде паруса.
Рис. 204. Поляры парусов с различным аэродинамическим удлинением.
Существенное влияние на тяговые характеристики паруса оказывает его аэродинамическое удлинение. На рис. 204 представлены поляры четырех парусов различного удлинения — от λ = 1/3 до 6, имеющих одинаковое пузо f/b = 0,074. Сравнивая эти графики, можно заметить, что при угле атаки α = 10° наивысшую подъемную силу дает парус с максимальным удлинением λ = 6, т. е. этот парус наиболее выгоден для острых курсов.
При угле атаки около α = 15° подъемная сила паруса с λ = 6 достигает максимума, затем она начинает падать. При углах атаки около 35°, т. е. на полных курсах, заметное преимущество получают более широкие паруса с λ = 1. Можно сделать вывод, что парус с большим удлинением при переходе на полный курс становится менее выгодным. На полном бакштаге, например, более быстроходной может оказаться яхта, оснащенная гафельными парусами с удлинением около 1. Вот почему, несмотря на общепризнанные преимущества бермудского паруса, гафельные паруса довольно часто применяют на моторно-парусных яхтах, на которых паруса ставят преимущественно в сильные ветра и на попутных курсах.
У большинства современных яхт лавировочные паруса имеют отношение длины передней шкаторины к нижней от 3 до 5; паруса для полных курсов — дрифтеры, блуперы и спинакеры, шьются с соотношением этих шкаторин, близким к 1.
Применение парусов большого удлинения на малых судах ограничивается остойчивостью судна, не позволяющей чрезмерно повышать положение центра парусности. Кроме того, высокая парусность требует рангоута большого поперечного сечения, что отрицательно сказывается на аэродинамике паруса.
Рис. 205. Характер обтекания мачт: а — с эллиптическим поперечным сечением; б — с параболической передней кромкой; в — с парусом, стоящим на подветренной кромке.
Влияние мачты. Мачта является источником образования вихрей, которые попадают как на наветренную, так и на подветренную стороны паруса. Особенно неблагоприятно сказываются завихрения 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. Неудачны мачты цилиндрического сечения — без сужения к топу: в верхней части отношение диаметра мачты к уменьшающейся ширине паруса становится велико и может оказаться, что часть паруса близ фалового угла вообще не будет участвовать в создании тяги на курсе бейдевинд.
Большую роль играет форма поперечного сечения мачты. Важно, чтобы на курсе бейдевинд, когда судно идет под углом 25—30° к направлению вымпельного ветра, вихревая дорожка, срывающаяся с подветренной стороны мачты, имела минимальную ширину. Большую роль играет также форма передней кромки мачты, на которой формируется поток, обтекающий парус. Например, парус за мачтой параболического сечения обладает более высоким аэродинамическим качеством, чем за мачтой эллиптического сечения. Оптимален вариант с парусом, закрепленным передней шкаториной близ подветренной стороны мачты: его качество на 40 % выше, чем у паруса с эллиптической мачтой (рис. 205).
Наибольшее распространение на парусных судах получили мачты овального поперечного сечения с соотношением размера 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.
Скручивание паруса. При выбирании шкотов удается контролировать угол атаки только нижней трети паруса, а в верхней ткань может отклоняться под ветер, уменьшая тем самым угол атаки к вымпельному ветру. Если не предусмотреть специальных средств для регулировки скручивания паруса, то разность в углах атаки между нижней и верхней частью паруса может достигать 20°. А так как парус выбирают, ориентируясь на поведение его верхней части (пока не перестанет заполаскивать ткань у передней шкаторины), то нижняя часть чаще всего 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.
Особенно сильно скручивание паруса сказывается на полных курсах и при свежем ветре, когда шкоты потравлены и гик, например, задирается ноком вверх. При этом верхняя часть паруса уходит под ветер и почти заполаскивает (работает почти с нулевым углом атаки), а нижняя часть явно перебрана.
Для уменьшения скручивания паруса, оснащенного гиком, применяют оттяжки гика, препятствующие задиранию нока гика вверх, а также проводку гика-штока 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.
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 аналогично изменению скорости в пограничном слое (см. стр. 30) и вызвано силами трения воздуха о воду, затормаживающими поток вблизи ее поверхности. Например, на высоте 10 м над уровнем воды скорость ветра в 1,4 раза превышает его скорость на уровне 2 м. 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 получается от 3—5° на курсе бейдевинд и до 10—12 на курсе бакштаг. Следовательно, скручивание паруса в небольших пределах не только допустимо, но и способствует более эффективной его работе.
Паруса — материалы и раскрой. За редким исключением паруса шьются из тканых материалов, состоящих из множества параллельных нитей, расположенных вдоль полотнища — вдоль нитей основы — и перпендикулярных им нитей утка. Тканая структура материала паруса обусловливает изменение его профиля и формы под нагрузкой — при действии ветра. Ткань паруса обладает не только разными деформативными свойствами при растяжении вдоль основы или утка, но и получает деформацию по диагонали, при которой искажается правильная квадратная форма ячеек, образованных нитями основы и утка. Поэтому шитье хорошего паруса является своего рода искусством, требующим от мастера чуткого использования свойств ткани и прежде всего — учета деформаций, которые она получает под нагрузкой. Располагая ткань в парусе нитями основы под тем или иным углом к направлению действия наибольших нагрузок, растягивая предварительно ее по ликтросам шкаторин, мастер имеет возможность регулировать форму и распределение пуза по высоте и ширине паруса.
Кроме того, многое зависит от гибкости рангоута, проводки бегучего такелажа, водоизмещения судна, а на легких лодках — от массы экипажа и его способности откренивать судно. Поэтому раскрой и шитье парусов для яхт, участвующих в ответственных соревнованиях, является привилегией парусных мастеров-профессионалов, которые сами являются гонщиками и, участвуя в гонках в различных условиях, получают необходимую информацию о работе сшитых ими парусов и способах повышения их качества.
В последние 30 лет паруса для лодок, яхт и больших парусников шьются из синтетических тканей — терилена, дакрона, лавсана и нейлона. Это прочные и легкие ткани, обладающие необходимой плотностью и гладкостью поверхности; последние два свойства в ряде случаев достигаются пропиткой синтетическими смолами. Благодаря заполнению смолой микропор между нитями ткани уменьшается также ее склонность к деформации при действии растягивающей нагрузки под углом к нитям основы и утка, что обычно приводит к большим искажениям формы паруса. Синтетика не гниет, устойчива к воздействию масел и многих химических веществ.
В ряде случаев, особенно при самостоятельной постройке яхт, приходится применять традиционные материалы для парусов — льняную парусину или хлопчатобумажные ткани (фильтромиткаль, авизент, плащ-палатку и т. п.).
Льняная парусина прочнее хлопчатобумажной ткани. В мокром состоянии льняная нить оказывается на 20 % прочнее, чем в сухом; поэтому, несмотря на то, что под нагрузкой льняная ткань сильно деформируется, искажая форму паруса, она особенно подходит для шитья штормовых парусов. Это удобно еще и потому, что в сыром состоянии льняная ткань сохраняет мягкость и с ней легко работать руками. От штормовых парусов не требуется, чтобы они были особенно плоскими, так что можно примириться с небольшим дополнительным увеличением пуза вследствие вытяжки ткани.
Благодаря меньшей толщине нитей хлопчатобумажная ткань может быть сделана более плотной, чем льняная парусина, при одинаковой массе. Хлопчатобумажные паруса меньше вытягиваются под нагрузкой, но обладают всеми недостатками, присущими тканям растительного происхождения: сильно впитывают влагу, при небрежном хранении могут гнить.
Важным вопросом при изготовлении парусов является выбор ткани соответствующей массы, которая обычно указывается в граммах на квадратный метр. Синтетические ткани достаточно прочны, чтобы выдерживать усилия, развиваемые давлением ветра в парусах. Однако следует учитывать еще и фактор деформации ткани под действием нагрузки. Легкая ткань, конечно, более удобна для укладки и хранения, но парус из нее вытягивается сильнее и постоянно теряет свою форму при усилении ветра. Это проявляется в том, что пузо паруса перемещается назад и парус становится малоэффективным. В еще большей степени это справедливо для парусов из хлопчатобумажной ткани, которая, к тому же, имеет гораздо меньшую прочность.
Помимо размеров и площади парусов, при выборе массы ткани играют роль также размерения яхты, ее водоизмещение и район плавания. Для парусов крейсерских яхт открытого моря применяется более тяжелая ткань, чем для парусов такой же площади для яхт внутреннего плавания. Если речь идет о хлопчатобумажных парусах, то основные паруса швертботов и небольших яхт могут быть сшиты из ткани массой 220—300 г/м²; яхт класса Л6 и более — из ткани 450—520 г/м². Легкие перкали массой 130—140 г/м² пригодны для вспомогательных парусов типа спинакера.
При использовании синтетических материалов массу ткани для основных парусов можно приближенно определить по формуле
где w — масса ткани, г/м²; L — длина яхты по КВЛ, м. Генуэзские стаксели для слабого ветра на больших яхтах шьют из дакрона массой не менее 100—130 г/м²; для спинакеров может использоваться найлон массой менее 100 г/м².
При раскрое парусов из хлопчатобумажной ткани учитывается вытяжка ткани в процессе эксплуатации. Грот растягивается по передней шкаторине примерно на 5 %, по задней — на 2,5%, а стаксель — на 2,5 и 1 % соответственно. Поэтому при вычерчивании паруса длину его шкаторин сокращают в соответствии с указанными цифрами. В поперечном направлении (по основе) ткань садится на 1 %, поэтому длину нижней шкаторины необходимо увеличить. Для повышения прочности и жесткости паруса широкие полотнища (ткань выпускается шириной 70—150 см) разбиваются складками ткани — «фальшивыми швами» на полосы шириной 300—450 мм. Ширина фальшивых швов, как и настоящих, принимается равной 1,5 см для небольших швертботов и 2—2,5 см для килевых яхт и компромиссов.
Рис. 206. Раскрой паруса, обеспечивающий правильную форму пуза: а — бермудский грот; б — стаксель; в — грот-гуари и гафельный; г — рейковый парус для малых лодок.
Штриховой линией на рейковом парусе показан серп по нижней шкаторине при отсутствии гика.
Полотнища на бермудском гроте располагают обычно перпендикулярно прямой, соединяющей фаловый и шкотовый углы паруса. Именно вдоль этой линии действуют наибольшие напряжения и важно, чтобы с их направлением совпали нити основы ткани. В этом случае ткань не будет деформироваться по диагонали и задняя шкаторина имеет устойчивую форму.
При шитье стакселя полотнища чаще всего укладываются перпендикулярно задней и нижней шкаторинам и сшиваются на центральном шве, совпадающем с биссектрисой шкотового угла.
Существует несколько способов, с помощью которых при раскрое паруса обеспечивают нужный профиль поперечного сечения. Простейшим из них является раскрой паруса с выпуклыми передней и нижней кромками (рис. 206). Когда парус растягивается по прямым мачте и гику (или рейку и гафелю), то образующиеся около рангоута излишки материала под действием ветра расправляются и благодаря этому получается пузо. Форма профиля паруса, положение пуза по его ширине и высоте зависят от очертаний шкаторин, стрелки «серпа» и формы изгиба рангоута. Чем меньше серп, тем более плоским получается парус. При сильном изгибе мачты пузо паруса становится меньше и для того, чтобы оно имело достаточную величину, необходимо заранее выкраивать грот с большим серпом.
Передние паруса — стаксели не крепятся к рангоуту, а растягиваются между тремя точками — фаловым, шкотовым и галсовым углами. Штаг не является жестким, как мачта, а растягивается и провисает под нагрузкой. При провисании штага и натянутой задней шкаторине пузо стакселя увеличивается неравномерно: в верхней части паруса оно становится непропорционально большим и поток воздуха, стекающий со стакселя, «отдувает» ткань грота, нарушая его эффективную работу. Поэтому при раскрое стакселя его передней шкаторине придают S-образность, делая в верхней части вогнутость — отрицательный серп, а в нижней—положительный. По нижней шкаторине делается небольшой серп (иногда в сочетании с закладками по полотнищам), задняя шкаторина обычно прямая или слегка вогнутая, особенно на стакселях для сильного ветра. Вогнутость препятствует чрезмерной «пузатости» паруса в верхней части и предотвращает загибание задней шкаторины в наветренную сторону и задувание грота.
С помощью серпов можно получить пузо, расположенное вблизи передней или нижней шкаторин. Для того чтобы сместить его дальше в корму, применяют метод закладок, выполняя ряд полотнищ паруса не с прямыми кромками, а с лекальными, суживающимися по направлению к шкаторинам. Длина и максимальная ширина закладок определяются опытным путем на готовых парусах. Наибольшую величину закладки имеют в нижней, самой широкой части паруса, где требуется обеспечить соответственно пузо с максимальной стрелкой.
