Ходовые измерения диаграммы.

Для построения диаграммы необходимо на ходу судна определить углы и истинного и вымпельного ветра и скорость хода судна V. Измерять скорость ветра не требуется, поскольку величины и рассчитываются по формулам треугольника скоростей; само судно выступает в роли анемометра.

Определение направления вымпельного ветра у яхтсменов затруднений не вызывает, они чувствуют его кожей. Сложнее обстоит дело с определением направления истинного ветра; для этого нужно лечь в дрейф, стать в левентик или перейти на курс фордевинд. Иногда с направлением ветра совпадает направление бега волн или полос ряби на воде. На небольших акваториях таких как Московское море ветер очень нестабилен, и определять направление истинного ветра следует в начале и в конце каждого цикла измерений. Скорость хода судна определяется методом планширного лага, для чего следует заранее на берегу запасаться шишками или щепками.

На практике измерения проводятся следующим образом. Судно ложится в дрейф, направление истинного ветра засекается по компасу. Затем судно выводится на требуемый курс, засекается сам курс и направление вымпельного ветра, вперед по ходу судна забрасывается щепка, засекается время прохождения судна мимо нее. Судно снова ложится в дрейф.

Весь цикл измерений занимает менее минуты. Работать надо быстро и четко, лучше вдвоем. Необходимо набрать до сотни и более таких точек, равномерно распределив их по всем курсам, причем как на сильных так и на слабых ветрах но не меняя парусности судна. Изменение парусности требует проведения нового комплекса измерений.

Экспериментальных точек следует набирать как можно больше, лишними они не бывают. Возможно, многие из них придется забраковать ввиду их явной ошибочности. Пока судно на воде, недостачу нетрудно восполнить, но дома этого не сделаешь.

Далее следует обработка результатов измерений, выполняемая на берегу или уже в домашних условиях. Для обсчета данных надо использовать хороший микрокалькулятор или компьютер, но в походных условиях можно обойтись и логарифмической линейкой.

Составляется таблица с большим числом колонок, в которую заносятся для начала измеренные курсовые углы, пеленги истинного и вымпельного ветра и время прохождения судном своей длины. По этим данным определяются углы и и скорость хода судна V. Далее по формулам треугольника скоростей рассчитываются значения и . Разброс точек большой, но когда их много, они укладываются в систему, их можно осреднить и провести кривые при различных . Полярную диаграмму лучше строить по осредненным данным -диаграммы.

Техника не стоит на месте, и сейчас в распоряжении парусных туристов появились карманные приборы спутниковой системы навигации (GPS), позволяющие определять свои координаты с точностью до нескольких метров. Эти приборы очень инерционны и для измерений мгновенных значений скорости непригодны, но жизнь нам они могут облегчить. Во-первых. Можно точно определять длину мерного отрезка, по которому бегает или буксируется судно. Во –вторых, можно точно выставить полигон из центрального буя и десятка расположенных вокруг него по окружности других буев; на полигоне мерную дистанцию можно проходить под любым углом к ветру

 

Работа паруса

 

Режимы работы паруса

 

В зависимости от угла постановки паруса к ветру, т.е. от его угла атаки имеют место три различных режима его работы: заполаскивание, когда он стоит по ветру, безотрывное обтекание потоком воздуха, когда парус работает подобно крылу, создает большую подъемную силу и имеет высокое аэродинамическое качество, и, наконец, случай, когда на больших углах атаки обтекание паруса сорвано, и он действует как плохо обтекаемое тело, стоящее поперек ветра.

Как показывают аэродинамические поляры жестких изогнутых пластинок подобных парусу по своей форме, такая пластинка, будучи поставлена под нулевым углом атаки, создает подъемную силу, направленную в сторону ее выпуклости. Для паруса с тем же пузом случай означает точку бифуркации, направление его выпуклости не определено, и она может быть ориентирована в обе стороны. Если шкот растравлен, парус будет заполаскивать, если шкот выбран, парус будет пощелкивать. Выпуклое состояние паруса неустойчиво, и даже если почему-то пузо паруса выпучило в одну сторону, достаточно малейшей флуктуации в потоке воздуха, чтобы его перебросило в другую сторону.

Чтобы парус однозначно выбрал свою ориентацию, он должен стоять под некоторым начальным углом атаки превышающим наибольшие углы мгновенных заходов ветра. Величины этих углов неизвестны, но чем порывистей ветер, тем они больше и обычно составляют несколько градусов. Бывает, что на крутом бейдевинде туго выбранный парус, обычно стаксель, прощелкивает, и происходит непроизвольный поворот оверштаг; судно вынуждено переходить на другой галс.

С неустойчивостью паруса на малых углах атаки связан и непроизвольный поворот фордевинд, но тогда шкаторины паруса меняются местами, и угол атаки паруса отсчитывается по его задней шкаторине. Когда на курсе фордевинд парус стоит поперек судна, и ветер на порыве заходит так, что начинает задувать в заднюю шкаторину паруса парус прощелкивает, и его перебрасывает на другой борт. Последствия могут быть неприятными. Однажды на Азове я на сильном ветре на фордевинде подходил к берегу, и в полосе прибоя непроизвольный фордевинд произошел у меня пять раз подряд, грот летал с борта на борт как хлопающая дверь. Хорошо, что я был на тримаране, а не на швертботе.

Наличие области неустойчивости паруса вблизи ограничивает снизу значение возможного угла атаки. Другая причина такого ограничения в том, что даже у жестких пластинок с устойчивым профилем при уменьшении угла атаки до некоторого минимального значения составляющего , при котором максимально аэродинамическое качество, обращается в нуль аэродинамический коэффициент тяги . Круче к вымпельному ветру не может идти никакое парусное судно.

На углах атаки, не слишком больших, но превышающих критические для устойчивости пуза, парус безотрывно обтекается потоком воздуха. При этом на него действует сила, слагающаяся из проинтегрированных по его поверхности касательных и нормальных напряжений. Сила, обусловленная касательными напряжениями, - это сопротивление трения, вызванное наличием вязкости воздуха и его трением о парус. Сила, обусловленная нормальными напряжениями на поверхности паруса, имеет более сложную природу; обычно различают следующие ее составляющие.

 

А/ Подъемная сила. Она представляет собой компоненту полной силы в направлении нормали к потоку воздуха и своим появлением обязана порождению на поверхности паруса завихренности воздуха. Из-за асимметрии обтекания паруса вокруг него возникает вращательное движение воздуха, характеризуемое циркуляцией скорости , где интеграл берется вокруг профиля паруса. При наличии циркуляции на парус в поступательном потоке действует поперечная подъемная сила . Проекция этой силы на направление движения судна – нужная нам сила тяги.

Б / Индуктивное сопротивление. Ни что не дается даром, и возникновение на парусе подъемной силы сопровождается появлением за парусом вихревой пелены, тянущейся вниз по ветру. Создавая подъемную силу, парус вызывает затрату энергии ветра как упорядоченного воздушного потока на турбулизацию этого потока. Эта затрата определяет сопротивление паруса известное как индуктивное.

Индуктивное сопротивление зависит от удлинения паруса , где L-его размах по высоте. В теории крыла конечного размаха показано, что при данном коэффициенте подъемной силы наименьшим индуктивным сопротивлением обладает крыло с эллиптическим распределением циркуляции скорости по размаху: , где . Аэродинамические коэффициенты такого крыла или паруса определяются соотношениями

; (7a)

. (7b)

В / Сопротивление формы – параллельная ветру компонента результирующей силы давления за вычетом индуктивного сопротивления; она зависит от глубины пуза паруса и существенна на полных курсах.

Полное сопротивление паруса составляет сумму сопротивлений: . Аэродинамическое качество паруса .

Чтобы парус хорошо тянул круто к ветру, необходимо повышать его аэродинамическое качество, увеличивая его удлинение, а также снижать сопротивления трения и формы. Последнее достигается изготовлением паруса из гладкого материала и приданием ему правильной аэродинамической формы, но какова эта форма – вопрос темный. На практике добиваются формы паруса приятной для глаза, хотя хорошо тянуть и хорошо выглядеть – не одно и то же.

С увеличением угла атаки паруса создаваемая им подъемная сила возрастает, но ее рост ограничен нарушением его обтекания. Когда обтекание срывается, подъемная сила паруса падает, но растет его сопротивление, так что в целом действующая на парус сила мало изменяется по величине, хотя и изменяется ее ориентация: она оказывается направленной по нормали не к ветру, а к плоскости паруса.

Когда парус стоит поперек ветра, он действует как плохо обтекаемое тело. За ним возникает интенсивное вихреобразование, причем картина обтекания нестационарна; появляется периодический срыв вихрей с передней и задней шкаторин. На сильном ветре на фордевинде это вызывает поперечную раскачку судна, что на швертботах достаточно неприятно. Чтобы обеспечивать хорошую тягу на фордевинде, парус должен иметь малое удлинение и глубокое пузо.

Требования, предъявляемые к парусу, противоречивы; нельзя сразу иметь и большое и малое удлинение. На крупных яхтах основные паруса потому и называют лавировочными, что они специализированы для работы на острых курсах; на полных курсах ставят дополнительный пузатый парус – спинакер. У нас спинакеров нет, и паруса должны хорошо работать на всех курсах. Приходится идти на компромисс; обычно то, как работает парус на полных курсах, мало кого волнует; тянет на бакштаге и фордевинде, и ладно. Гораздо больше хлопот и трудностей доставляет обеспечение хорошей тяги на острых курсах.

Как показала практика, приемлимым для нас типом парусного вооружения является бермудское. Высокие косые треугольные они же бермудские паруса удобны в обращении и неплохо тянут на острых курсах; на полных курсах они хуже прямых парусов, но с этим можно мириться. Тяга, создаваемая косыми парусами, зависит от угла атаки, под которым они поставлены к ветру, их профиля, т.е. пуза, и их формы в плане. Паруса шьют из дакрона, но когда его нет, сойдет и тик для пера.

Аэродинамика паруса из ткани имеет свои особенности. Парус тянется и изменяет свой профиль под нагрузкой, скручивается по высоте винтом, в отличие от авиационных профилей имеет острую переднюю кромку, образованную тонким материалом, крепится передней шкаториной на штаг или к мачте, что существенно влияет на его работу.

Тонкие аэродинамические профили типа паруса являются самотурбулизующимися. Набегающий на них поток воздуха вынужден огибать острую переднюю кромку; при этом на подветренной стороне паруса вблизи этой кромки возникает зона турбулентности, разрастающаяся с увеличением угла атаки и при захватывающая всю ширину паруса. В отличие от толстых авиационных профилей на парусе не возникает пика разрежения у передней кромки; он размазан по всей ширине паруса, а точка приложения к парусу аэродинамической силы с ростом угла атаки смещается назад.

Влияние профиля паруса, т.е. пуза, проявляется в том, что с увеличением угла атаки растет и сила, действующая на парус, но падает его аэродинамическое качество. Лавирововочные паруса должны иметь пузо 5-10% от своей ширины с максимумом пуза на 35-40% ширины считая от передней кромки. Отношение длин шкаторин у лавировочных парусов туристских судов составляет 2,5-4.

Крепление паруса передней шкаториной к мачте ухудшает его работу. Парус крепится к мачте либо ликпазом, но в этом случае мачта должна быть поворотной, либо надевается на мачту карманом – обтекателем; такой вариант применяется на небольших лодках со свободно стоящей мачтой, но при расчалке мачты вантами возникают сложности. Практика показала, что вооружение типа бермудский кэт со свободностоящей мачтой и надетым на нее карманом парусом является лучшим для судов с парусностью до 7 ; на них легко и удобно делать поворот оверштаг, и они хороши на лавировке.

Как справедливо заметил В.Перегудов, паруса должны быть жесткими и управляемыми. Под жесткостью паруса понимается его способность сохранять заданными форму, угол атаки и величину пуза по всей своей площади во всем рабочем диапазоне ветров. Взятие рифов на парусах вызвано не столько тем, что их площадь оказывается излищней, сколько выдуванием парусов на сильных ветрах и неконтролируемым ростом и смещением пуза, из-за чего силы, действующие на парус, оказываются чрезмерными, нарушается центровка судна, оно становится трудно управляемым. Пузатые паруса хороши на слабых ветрах, но на сильном ветре парус должен быть почти плоским. Хороший парус способен изменять свое пузо от 0-2% до 10-15% без заметного искажения своей формы.

С жесткостью парусов тесно связана их управляемость, под которой понимается возможность по желанию рулевого быстро, точно и в широких пределах изменять развиваемые парусом силы. Жесткие паруса обладают хорощей управляемостью. Жесткость и управляемость парусов обеспечиваются конструктивными мерами, раскроем самого паруса, жесткостью рангоута, на котором он поставлен, схемой проводки такелажа, жесткостью судна в целом и разлитчными устройствами для регулировки формы парусов.

Парусное вооружение судна должно быть тщательно продумано и прежде всего для случая сильных ветров. То, что вы не слишком быстро поедете на трех баллах по Бофорту, малосущественно, но потеря контроля над судном на шквале может обойтись дорого. Штормовые паруса должны быть небольшими, очень жесткими и безусловно управляемыми на любых ветрах.

Мне довелось попасть в девятибалльный шторм, и то, что я удачно оттуда выбрался, во многом объясняется высоким качеством штормовых парусов тримарана.

 

 

Форма паруса в плане

 

В парусной литературе много путаницы в вопросе об индуктивном сопротивлении парусов. Как уже было сказано, наименьшим индуктивным сопротивлением обладает крыло с эллиптичным законом распределения циркуляции скорости потока воздуха по его размаху. Это можно осуществить разными способами: соответствующим распределением по размаху крыла формы его профиля, угла атаки или выбором формы крыла в плане. Обычно используют последний вариант, когда углы атаки и форма профиля по размаху постоянны, а хорда крыла изменяется по эллиптическому закону. Вид передней кромки крыла малосущественен; ее можно выбрать в виде прямой линии, тогда крыло в плане приобретает форму половинки эллипса, в частном случае полукруга.

Эллиптическая форма крыла оптимальна при отсутствии закрутки воздушного потока. Но в отличие от крыла самолета или планера парус обдувается ветром, скорость которого возрастает с высотой. При наличии ветра вблизи поверхности воды формируется пограничный слой толщиной в несколько сотен метров, в котором скорость ветра при приближении к поверхности воды спадает до нуля. Спад скорости ветра, так называемый профиль ветра, зависит от его скорости и стратификации атмосферы; та определяется разностью температур воды и воздуха над ней. Стратификация нейтральна, если температура воды равна температуре воздуха, неустойчива, когда вода теплее воздуха, и устойчива, если вода холоднее воздуха. Профили ветра для всех этих случаев различны; они показаны на рис.15.

Усиление истинного ветра по высоте паруса влечет за собой усиление вымпельного ветра в 1,2-1,5 раза и, что весьма существенно, изменение его угла на . Соответственно, на ту же величину изменяется угол атаки паруса, что нарушает эллиптическое распределение циркуляции воздуха вокруг него. Чтобы оно оставалось эллиптичным, необходима коррекция формы паруса в плане путем изменения распределения его хорд по высоте.

На рис.17 показано семейство форм паруса с различным удлинением, имеющих минимальное индуктивное сопротивление в закрученном потоке вымпельного ветра и полученных из исходной эллиптичной формы путем такой коррекции. Видно. Что они близки к форме хорошего бермудского грота, имеющего небольшой серп по задней шкаторине.

Сказанное справедливо для паруса не имеющего скручивания по высоте. Реальный парус всегда скручен, и его верхняя часть отваливает под ветер; величина скручивания регулируется натяжением шкотов и оттяжки гика. Изменение силы ветра по высоте непостоянно и зависит от погодных условий; сделать парус, который будет одинаково хорош для всех условий, невозможно, поэтому его скручивание используют для тонкой настройки на конкретные условия.

Скручивание или твист паруса по высоте и его регулировка – вопрос весьма тонкий, особенно для косых бермудских парусов; искусство пошива парусов во многом в этом и состоит. В этом плане представляют интерес паруса джонок, имеющие большое число сквозных лат, каждая из которых управляется свои шкотом.