Школа яхтенного капитана
Основы теории и устройство крейсерных яхт.
Прикладная аэродинамика паруса. Форма паруса и контроль за нею.
Учебник: "Школа яхтенного капитана."
Составитель: Е. П. Леонтьев
Поперечный профиль паруса. Основным фактором, влияющим на величину аэродинамических сил на парусе и его тяговые характеристики, является его профиль, т. е. форма и размеры "пуза".
На рис. 26 представлены поляры четырех жестких моделей бермудских парусов,
имеющих аэродинамическое удлинение 
=4
и расстояние максимальной глубины "пуза" от передней шкаторины, равное 1/3 хорды. От реальных
парусов модели отличались еще отсутствием угла скручивания и постоянством относительной
глубины "пуза" по высоте.
На
полярах (рис. 26) видно, что с уменьшением глубины "пуза" качество паруса возрастает благодаря
снижению коэффициента лобового сопротивления (показано горизонтальной стрелкой). Максимальная
подъемная сила паруса, наоборот, увеличивается по мере увеличения глубины "пуза" (показано
наклонной стрелкой).
Посмотрим теперь, каким образом могут быть реализованы качества парусов
в зависимости от их профиля. Предположим, что яхта идет курсом бейдевинд под углом 
= 30° к направлению вымпельного ветра. Очевидно, наибольшую тягу даст тот парус, касательная
к поляре которого - перпендикуляр к линии пути яхты (см. рис. 24) будет отстоять от точки
0 дальше подобных же касательных к другим полярам. В данном случае наибольшую тягу
имеет парус с относительной глубиной "пуза" f/b=1/10. Однако нетрудно заметить, что выигрыш
в тяге этого паруса будет минимальным по сравнению с более плоским парусом, имеющим f/b
= 1/15. В то же время, более "пузатый" парус (f/b = 1/10) дает значительно большую поперечную
силу дрейфа, чем парус с f/b = 1/15. Поэтому небольшое преимущество более "пузатого" паруса
может быть реализовано на лавировке только в слабый ветер, когда абсолютная величина силы
дрейфа будет невелика. В свежий ветер плавание с таким парусом сопровождается большим
креном и соответственно дополнительным сопротивлением движению, так что в конечном счете
выигрыша в скорости не получится.
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 величиной силы дрейфа. Однако более высокий коэффициент подъемной силы "пузатых" парусов может быть реализован на других, более полных, курсах по отношению к ветру: например, на курсе галфвинд, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения (см. рис. 24, б). В практике морских гонок это качество "пузатых" парусов используется благодаря смене на полных курсах лавировочных передних парусов на дрифтергеную, блупер или спинакер.
Следует заметить, что преимущества "пузатых" парусов могут быть использованы в основном при слабых ветрах, когда скорость яхты прямо пропорциональна силе тяги. В сильные ветра, когда яхта развивает свою предельную скорость под обычными лавировочными парусами и дальнейшее повышение тяги практически не увеличивает скорость, постановка "пузатых" парусов не дает эффекта. Более того, большая сила дрейфа "пузатого" паруса обусловливает больший крен и дрейф и соответствующее повышение сопротивления воды движению яхты.
В качестве основных (лавировочных) парусов для среднего ветра (2-4 балла) применяют паруса с "пузом" f/b=9-10%. Для слабого ветра выгодны более "пузатые" паруса - f/b до 12%, а при ветре более 5 баллов - паруса с "пузом" не более 6% (f/b=1/17 -1/25).
В гонках яхтсмены широко пользуются различными способами регулирования величины "пуза" парусов в зависимости от силы ветра. Особенно это относится к настройке грота, так как по правилам IOR замена его во время гонок не допускается, а ветровые условия могут изменяться в довольно широких пределах. Основными средствами регулирования "пуза" грота являются продольный изгиб мачты, натяжение шкаторин (оттяжка Кэнингхэма и грота-шкот), уплощающий риф, натяжение гика-шкота и положение его блока на погоне по ширине яхты, оттяжка гика. Продольный изгиб мачты позволяет контролировать две верхние трети паруса, в то время как другие средства эффективны при изменении профиля у гика.
В слабый ветер, когда важно иметь грот наиболее "пузатым", мачта должна быть прямой, грота-шкот и оттяжку гика выбирают не до конца, оттяжка Кэнингхэма растравлена. Блок на погоне гика-шкота перемещают от ДП в сторону наветренного борта; гика-шкот втугую не выбирают.
Для увеличения "пуза" стакселя или генуи блок (кипу) стаксель-шкота перемещают вперед и ближе к ДП яхты. При этом "пузо" перемещается вперед, натяжение задней шкаторины ослабляется, зазор между гротом и стакселем увеличивается.
С усилением ветра мачте придают изгиб с выпуклостью, направленной вперед, увеличивая натяжение ахтерштага (при оснастке типа 3/4 или 7/8) или регулируя натяжение промежуточного штага и бакштагов (при топовой оснастке). Благодаря этому излишек паруса убирается в образовавшийся серп у передней шкаторины, "пузо" становится меньше и перемещается ближе к мачте. Оттяжку Кэнингхэма, грота-шкот и оттяжку гика выбираю втугую; блок гика-шкота смещают по погону на подветренный борт. Шкоты выбирают более туго, чем в слабый ветер. При необходимости сделать парус еще более плоским в нижней части берут уплощающий риф, используя люверсы, расположенные вблизи гика.
Профиль генуи может быть сделан более плоским при передвижении блока стаксель-шкота назад и к борту большем натяжении передней шкаторины. Значительное влияние на профиль передних парусов оказывает натяжение штага: для того чтобы парус стал более плоским, необходимо по возможности ликвидировать прогиб штага.
Большое
влияние на тяговые характеристики паруса кроме величины "пуза" оказывает место положения
максимальной выпуклости от передней шкаторины. На рис. 27 показано распределение разрежения
на подветренной стороне жесткой модели паруса с относительной величиной "пуза" f/b =0,188
при отстоянии максимального "пуза" на 40 и 60% хорды от передней кромки и при угле атаки
a = 15° (характерный "провал" на эпюре давления являйся следствием развитого вихревого
пузыря - см. рис. 21). Как видим, в создании движущей силы главную роль играет передняя
часть паруса, где концентрируется разрежение у паруса с "пузом", расположенным на 40%
хорды от передней шкаторины. Когда же "пузо" смещено к задней шкаторине, область разрежения
охватывает и заднюю часть профиля, вследствие чего увеличивается составляющая R, направленная
против движения яхты. Таким образом, при смещении "пуза" к задней шкаторине эффективность
паруса снижается как в результате падения подъемной силы в передней части паруса, так
и в результате роста сил сопротивления, тормозящих ход судна.
Лавировочные паруса шьют с максимальной глубиной "пуза", расположенной от передней шкаторины на расстоянии от 35-40% ширины паруса b для плоских парусов, до 40-50% b для более полных.
Во всех поперечных сечениях максимальная глубина "пуза" должна находиться в указанных пределах. Поэтому по мере увеличения ширины паруса по направлению к гику соответственно увеличивается и абсолютная величина "пуза". У гика на обезветренном парусе "пузо" образует "мешочек", который в сильный ветер можно убрать в скатку уплощающего рифа.
Форма паруса. С точки зрения аэродинамики крыла наиболее выгодным был бы парус с эллипсовидной верхней частью. Именно в его верхней части образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную - в область разрежения. В результате возникают вихри, срывающиеся с кромки паруса и уходящие в пространство. Эти возмущения 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 верхней и нижней широким кромкам. Поэтому коэффициент подъемной силы здесь резко падает (см. рис. 8).
У паруса с эллипсовидной верхней частью величина подъемной силы из-за плавного уменьшения площади паруса у верхнего конца также плавно убывает. Благодаря этому плавно убывает и интенсивность перетекания воздуха через кромки, не происходит местного изменения угла атаки и коэффициента подъемной силы.
Попытка
приблизить форму паруса к эллипсовидной при существующих ограничениях ширины фаловой доски
и эластичности мачты была сделана, например, на английском двенадцатиметровике "Лайонхат"
- претенденте на Кубок Америки 1980 г.: верхняя часть мачты на нем была сильно изогнута.
Испытания в аэродинамической трубе показали, что грот с гнутой мачтой дает примерно 10-30%
увеличения движущей силы по сравнению с обычным бермудским парусом или увеличение скорости
лавировки на ветер порядка 4%.
У треугольного паруса основная площадь и, следовательно, нагрузка сосредоточены в нижней трети. По мере приближения к фаловому углу площадь и подъемная сила убывают, что сопровождается соответствующим уменьшением скорости и фактического угла атаки паруса к набегающему потоку. Близ фалового угла также усиливается отрицательный эффект мачты поскольку размеры ее сечения увеличиваются относительно хорды паруса. Эксперименты показали, что если срезать бермудский парус на 15% высоты от вершины, то практически его тяга не уменьшится.
Существенное влияние на характеристики паруса оказывает аэродинамическое удлинение паруса (отношение длины передней шкаторины) к его средней хорде, измеренной на половине высоты, или отношение квадрата высоты паруса и его площади.
На рис. 28 представлены поляры трех парусов различного удлинения - от
= 1 до 6, имеющих одинаковое "пузо" f/b=7,4%. Сравнивая поляры можно заметить, что при
угле атаки a = 10° наивысшую аэродинамическу силу дает парус с максимальным удлинением
= 6. Этот же парус имеет наивыгоднейшее
направление аэродинамической силы для получения максимальной тяги на курсе бейдевинд.
Аэродинамическая сила на парус имеющем
= 6 достигает максимум при a = 15°, затем падает. При угле атаки около 35°, т.
е. на полных курсах, заметное преимущество получай более широкие паруса, имеющие
= 1. Таким образом, можно сделать вывод, что парус с большим удлинением при переходе яхты
на полный курс становится менее выгодным. На курсе полный бакштаг, например, более быстроходной
может оказаться яхта, ocнащенная широкими гафельными парусами с удлинением около 1. Вот
почему несмотря на общепризнанное преимущество бермудских парусов, гафельные паруса довольно
часто применяют на моторно-парусных яхтах, у которых паруса используются преимущественно
при сильных ветрах и на попутных курсах.
У большинства современных яхт лавировочные паруса имеют отношение длин шкаторин от 3 до 5; паруса для полных курсов - дрифтеры, блуперы и спинакеры шьют с соотношением шкаторин, близким к 1.
Пределом для использования парусов большого удлинения является ограниченная остойчивость яхт, не позволяющая чрезмерно повышать положение ЦП. Более высокая парусность требует также рангоута большего сечения, что приводит к распространению влияния мачты на большую часть площади грота.
