Школа яхтенного капитана
Основы теории и устройство крейсерных яхт.
Прикладная аэродинамика паруса. Особенности работы паруса как крыла.
Учебник: "Школа яхтенного капитана."
Составитель: Е. П. Леонтьев
Только при небольшом значении угла атаки, когда на остром и тонком профиле еще не образуется подъемная сила, парус обтекается потоком воздуха, одинаково плавным с нижней и с верхней стороны. При небольшом увеличении угла атаки критическая точка перемещается на нижнюю сторону профиля и потоку приходится огибать острую кромку с большой скоростью. В результате у входящей кромки образуется значительное разрежение и под влиянием этого разрежения пограничный слой отрывается от поверхности профиля, образуя на его спинке вихревой пузырь. При достаточно большой скорости ветра поток быстро поглощает энергию вихрей и слой вновь присоединяется к поверхности профиля на некотором расстоянии от входящей кромки (рис. 21).
Вихревой
пузырь, размеры которого увеличиваются по мере увеличения угла атаки, вносит существенные
изменения в распределение пониженного давления вдоль подветренной стороны паруса по сравнению
с показанным на рис.10 распределением давления на жестком профиле с толстой скругленной
передней кромкой. Напомним, что именно разрежение на подветренной стороне паруса играет
основную роль в создании подъемной силы и, следовательно, силы тяги на острых к ветру
курсах.
На рис. 21 представлены результаты замеров разрежения на жестком выпукло-вогнутом профиле, аналогично парусу. На малых углах атаки профиль обтекается плавным ламинарным потоком.
При a = 4° начинаете отрыв пограничного слоя. В этот момент достигается наивысшее разрежение, пик которого расположен вблизи входящей кромки.
При a = 60 вихревой пузырь занимает на подветренной стороне около 25% хорды профиля b. Разрежение уменьшается, и эпюра его становится более плавной.
При a = 10° пузырь охватывает всю ширину профиля, его толщина составляет 3,5% b. Давление повышается в 2,5 раза по сравнению с разрежением при a = 4°; пика разрежения практически нет - оно равномерно распределено по всей ширине профиля. Значит, подъемная сила существенно снизилась, а лобовое сопротивление возросло (см. рис. 27).
Таким образом, на курсе бейдевинд увеличение угла атаки паруса к вымпельному ветру более 5-6° нежелательно. На реальном парусе вихревой пузырь представляет собой невидимый глазу цилиндрический валик, распространяющийся по всей высоте паруса. Чем больше выбран шкот, тем большая часть подветренной поверхности паруса захватывается вихревым валиком, уменьшая подъемную силу.
Для выбора оптимального угла атаки в последние годы используются индикаторы обтекания в виде ленточек из тонкой ткани, закрепленных на определенном расстоянии от передней шкаторины с обеих сторон паруса (рис.22).
Таким
местом является точка Б возвpaтa пограничного слоя к поверхности паруса. При угле
атаки a = 5° она отстоит от передней шкаторины примерно на 15% ширины паруса в
каждом его поперечном сечении. Как только вихревой пузырь достигнет этой точки, ленточка
индикатора на подветренной поверхности паруса, ранее направленная назад по потоку воздуха,
отклонится вверх и вперед, указывая на возникновение здесь вихрей. Дальнейшее выбирание
шкотов - увеличение угла атаки - не только бесполезно, но даже вредно, так как приводит
к большой потере подъемной силы.
Установка трех-четырех подобных индикаторов, равномерно распределенных по высоте стакселя, облегчает рулевому правильный выбор курса при лавировке. Выбрав наивыгоднейшим образом шкоты для данного курса, ведут яхту таким образом, чтобы индикаторы на наветренной стороне стакселя слегка подрагивали, а на подветренной были вытянуты в сторону задней шкаторины (рис. 23).
Причиной падения подъемной силы на парусе является срыв потока с его подветренной стороны при увеличении угла атаки (что соответствует подбиранию шкотов или уваливанию яхты), поэтому главную роль играют индикаторы, расположенные на подветренной стороне. Если они начинают подниматься и совершать беспорядочные движения, значит, необходимо привести яхту к ветру или потравить шкоты.
Угол атаки, при котором подъемная сила перестает расти, называется критическим
углом атаки. Его величина зависит от глубины и формы "пуза" паруса, аэродинамического
удлинения 
(оно для парусов вычисляется
так же, как и для килей и рулей), наличия у передней шкаторины мачты или обтекателя штага.
Рис.
23. Поведение индикаторов в зависимости от угла атаки паруса.
В слабый ветер поток воздуха происходит при меньших углах атаки, чем в сильный. При постановке стакселя перед гротом благодаря повышению скорости потока в зазоре между обоими парусами момент срыва сдвигается в сторону больших углов атак. Обратное действие оказывает мачта, срывающиеся с нее на подветренную сторону паруса вихри способствую срыву потока при меньших угла атаки.
При увеличении угла атаки сверх критического подъемная сила падает, одновременно растет лобовое сопротивление. При a = 90° подъемная сила на парусе не создается: он обладает лишь лобовым сопротивлением.
Поляра паруса. Характеристикой аэродинамических качеств паруса является поляра - график изменения подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления и угла атаки (рис. 24, а). Для того чтобы поляру можно было применить к парусу любых размеров, по осям координат откладывают не значения сил, а безразмерные коэффициенты подъемной силы Су и лобового сопротивления Сх. Данные для построения поляры получают в результате продувок моделей парусов в аэродинамических трубах.
С помощью поляры можно определить величины подъемной силы и лобового сопротивления,
а также их составляющих - проекций на направление движения яхты. Опустив, например, из точки поляры,
соответствующей углу атаки a = 20°, перпендикуляр на ось движения яхты, можно найти величину
коэффициента силы тяги Ст как отрезка прямой АО. Длина самого перпендикуляра АВ будет не
что иное, как коэффициент силы дрейфа Cd. Умножив численные значения коэффициентов Ст и Сd на
площадь паруса S и скоростной напор (
* v**2) / 2, можно получить величину соответствующих сил.
Поляра
паруса позволяет определить наивыгоднейший угол установки парусов на данном курсе по отношению
к ветру. Максимальная тяга, очевидно, определяется перпендикуляром к оси движения яхты,
который одновременно является касательной к поляре. Угол атаки a = 14°, определяемый
точкой касания С, будет в данном случае наивыгоднейшим. Соответствующий ему угол установки
паруса относительно ДП яхты 
несложно
найти, вычтя из курсового угла (по отношению к вымпельному ветру 
дрейф ) и угол атаки a (см.
рис.19).
Несложно выполнить аналогичные построения для различных значений курсового
угла и определить наивыгоднейшие углы
установки паруса и соответствующие им углы атаки. Можно убедиться, что для данного паруса
почти на всех острых углах к ветру, вплоть до бакштага, наивыгоднейшие углы атаки близки
и находятся в пределах 14-15°.
Скручивание паруса. С выбором оптимального угла атаки паруса связано его свойство скручиваться, т. е. изменять угол атаки по высоте. При выбирании шкотов удается контролировать только нижнюю треть паруса; в верхней же части ткань имеет возможность несколько отклоняться на подветер, уменьшая тем самым угол атаки. Если не предусмотреть специальных средств для контроля скручивания паруса, то разность в углах атаки или угол скручивания может достичь 20°. А так как парус выбирают, ориентируясь на поведение его верхней части (пока не перестанет заполаскивать ткань у передней шкаторины), то нижняя часть оказывается работающей с избыточными углами атаки. Здесь может произойти срыв потока с подветренной стороны и соответственно упасть подъемная сила. Следовательно, тяга скрученного паруса оказывается ниже, чем если бы каждое его сечение по высоте имело оптимальный угол атаки.
Особенно сильно заметно скручивание паруса на полных курсах и при свежем ветре, когда шкоты потравлены и нок гика задирается вверх. При этом верхняя часть паруса уходит под ветер и почти заполаскивает, а нижняя работает под слишком большим углом атаки.
Для уменьшения скручивания грота на большинстве яхт применяют оттяжки гика, препятствующие задиранию нока вверх, а также проводку гика-шкота с одним или двумя поперечными погонами, простирающимися на всю ширину яхты. При мещении ползуна гика-шкота к борту яхты тяга шкотов становится почти вертикальной, благодаря чему удается держать заднюю шкаторину паруса на острых курсах более тугой.
Свидетельством правильной регулировки натяжения оттяжки гика может служить одновременное (по всей высоте) заполаскивание ткани у передней шкаторины при потравливании шкота.
Было бы ошибкой считать, что парус вообще не должен иметь скручивания по высоте, т. е. иметь все сечения повернутыми относительно гика на один и тот же угол. На крупных яхтах надо учитывать изменение скорости и направления вымпельного ветра по высоте и наличие в верхней части паруса перетекания воздуха из зоны повышенного давления на подветренную сторону. В зависимости от высоты парусности и скорости ветра получается разность в углах атаки от 3-5° в бейдевинд до 10-12° на курсе бакштаг. В таких пределах скручивание паруса допустимо и способствует более эффективной его работе.
Циркуляция воздуха вокруг крыла (см. рис. 10), появляющаяся вместе с аэродинамической силой, вызывает незначительные по скорости поперечные потоки воздуха Vи у входящей и выходящей кромок. Вследствие перетекания воздуха через кромки у концов крыла эти потоки усиливаются и отклоняют основной поток, набегающий на крыло, так, что угол атаки жесткого треугольного бермудского паруса по мере приближения к вершине увеличивается и близ фалового угла примерно на 20% превышает угол атаки средней части паруса. Близ гика фактический угол атаки, наоборот, несколько уменьшается.
Таким
образом, если бы парус не имел скручивания, то его верхняя часть работала бы при закритических
углах атаки и практически не участвовала бы в создании движущей силы. Опытный экипаж постоянно
контролирует и регулирует скручивание паруса в зависимости от силы ветра и курса яхты
с помощью оттяжки гика и перемещения нижнего блока гика-шкота по погону.
Влияние мачты. Мачта является источником образования завихрений, которые особенно неблагоприятно сказываются на формировании потока на подветренной стороне паруса. Здесь вихревой след мачты уменьшает разрежение, вследствие чего уменьшается величина подъемной силы. Кроме того, сама мачта обладает достаточно большим лобовым сопротивлением.
Большую роль играет форма поперечного сечения мачты, особенно передней ее кромки, на которой формируется поток. Важно, чтобы на курсе бейдевинд, когда яхта идет под углом 25-30° к вымпельному ветру, вихревая дорожка, срывающаяся с подветренной стороны мачты, имела бы минимальную ширину. Парус за мачтой параболическим поперечным сечение и тупой кормовой кромкой обладает более высоким аэродинамическим качеством, чем за мачтой эллиптического сечения (рис. 25). Наиболее оптимальным оказывается вариант мачты с парусом, закрепленным передней шкаториной близ ее подветренной стороны: качество его работы на 40% выше, чем паруса с эллиптической мачтой. Это лишнее свидетельство тому, что отрицательное влияние мачты в основном распространяется на подветренную сторону паруса.
Мачта, имеющая большое поперечное сечение, может снизить подъемную силу паруса на 25% по сравнению с парусом, поставленным на штаге. Особенно велики потери подъемной силы при постановке паруса на рельсе с ползунками, когда в щель между мачтой и парусом перетекает воздух с наветренной стороны паруса в область пика разрежения на подветренной стороне. Неудачны мачты цилиндрического сечения, без сужения к топу: в верхней части отношение диаметра мачты уменьшающейся здесь ширине пару становится велико. Может оказаться, что часть паруса близ фалового yгла вообще не будет участвовать в создании подъемной силы, а следовательно, и тяги на курсе бейдевинд.
Наибольшее распространение на яхтах получили мачты, имеющие овальное поперечное сечение, с соотношением около 3:2, обеспечивающее большую продольную жесткость. 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 снабжают обычно буepa и катамараны.
