Глава 2. Прикладная аэродинамика паруса

Работа паруса.

Современная теория паруса основывается на положениях аэродинамики крыла, элементы которой были рассмотрены в главе "Элементы теории парусной яхты" (см. "Сопротивление дрейфу"). Механика возникновения аэродинамической силы на парусе, изготовленном из ткани, в принципе аналогична и для жесткого профилированного крыла. В любом поперечном сечении паруса должна развиться циркуляция потока воздуха, как вокруг профиля крыла (см. рис.8), чтобы появилась подъемная сила.

Естественно, что аэродинамика паруса из ткани имеет ряд существенных отличий от жесткого крыла, каким, например, является яхтенный киль. Вследствие эластичности ткани парус изменяет свой профиль под влиянием потока воздуха. Он обладает способностью скручиваться - изменять угол атаки по отношению к ветру по высоте. В отличие от получивших распространение аэродинамических профилей со сравнительно толстой входящей кромкой парус имеет острую переднюю кромку и выпукло-вогнутую форму, образованную тонким материалом. Наконец, передней кромкой парус может крепиться к мачте, имеющей довольно большое поперечное сечение, что вносит существенное изменение в картину обтекания паруса потоком и в распределении давления по ширине паруса.

Наиболее важные элементы, влияющие на аэродинамику паруса, будут рассмотрены дальше, но для начала установим влияние составляющих аэродинамической силы на движение яхты при различных курсах относительно ветра.

Если яхта идет курсом бейдевинд, то под действием набегающего потока воздуха на парусах, установленных под углом атаки a к направлению вымпельного ветра, возникает результирующая аэродинамическая сила А (рис. 19). По аналогии с жестким крылом эту силу можно разложить на две составляющие: подъемную силу Y, перпендикулярную направлению вымпельного ветра, и лобовое сопротивление X, действующее по направлению ветра. В дальнейшем эти силы мы будем использовать для рассмотрения характеристик паруса и всего парусного вооружения в целом.

Для того чтобы оценить влияние аэродинамической силы А на движение яхты, представим ее в виде двух других составляющих: силы тяги Т, направленной по оси движения судна, и перпендикулярной ей силы дрейфа D. Направление движения яхты (путь) отличается от ее курса на величину угла дрейфа , однако в дальнейшем анализе этим углом можно пренебречь.

Предположим, что на выбранном курсе бейдевинд удалось увеличить подъемную силу на парусе до величины Y1, а лобовое сопротивление не изменилось. Силы Y1 и X, будучи сложенными по правилу сложения векторов, образуют новую аэродинамическую силу А1. Изменятся и ее составляющие относительно оси движения яхты Т и D. Без вычислений можно сказать, что в данном случае с увеличением подъемной силы увеличатся и сила тяги, и сила дрейфа (рис. 20). Аналогичное построение позволяет убедиться, что при увеличении лобового сопротивления на курсе бейдевинд сила тяги уменьшается, а сила дрейфа увеличивается. Таким образом, при плавании в лавировку экипаж яхты должен стремиться по возможности добиться образования на парусах максимальной подъемной силы при минимальной величине лобового сопротивления. Иными словами, для острых курсов необходима работа паруса с максимальным аэродинамическим качеством, которое численно выражается в отношении подъемной силы к лобовому сопротивлению.

K = Y / X

(Рис.19 Схема сил, действующих на паруса яхты; основные угловые параметры движения и установки парусов: -путь яхты по отношению к вымпельному ветру; -уголдрейфа; а - угол атаки паруса; - угол установки паруса относительно ДП яхты; Vи - скорость истинного ветра; V - скорость яхты; Vв - скорость вымпельного ветра; Vнв - скорость прямо против ветра).

Отметим, что на курсе бейдевинд вымпельный ветер, являющийся результатом сложения векторов истинного ветра и движения яхты, имеет наивысшую скорость Vв (см. рис. 19, б), что сказывается на величине обеих составляющих аэродинамической силы - Y и X.

На курсе галфвинд подъемная сила является силой тяги, а лобовое сопротивление - силой дрейфа. Если лобовое сопротивление увеличить, то увеличится только сила дрейфа. Однако на ходовые качества яхты это влияет в заметно меньшей степени, чем на курсе бейдевинд, поскольку скорость вымпельного ветра на курсе галфвинд снизилась и, следовательно, величина силы дрейфа меньше.

Рис. 20 Роль составляющих аэродинамической силы на различных курсах относительно вымпельного ветра.

На курсе бакштаг парус работает на больших углах атаки, при которых подъемная сила оказывается значительно меньше лобового сопротивления. Если увеличить лобовое сопротивление, то тяга и сила дрейфа увеличатся. При возрастании подъемной силы тяга также увеличивается, а сила дрейфа уменьшается. Следовательно, на курсе бакштаг рост и подъемной силы и (или) лобового сопротивления увеличивает тягу. Сила дрейфа тем больше, чем больше лобовое сопротивление. На курсе фордевинд угол атаки паруса близок к 90°, поэтому подъемная сила на парусе равна нулю, а лобовое сопротивление направлено по оси движения яхты и становится силой тяги. Сила дрейфа равна нулю. Следовательно, на курсе фордевинд для увеличения силы тяги нужно увеличивать лобовое сопротивление парусного вооружения, что на гоночных яхтах достигается постановкой дополнительных парусов - спинакера и блупера, имеющих большую площадь и плохо обтекаемую форму.

Отметим, что на курсе фордевинд на паруса действует вымпельный ветер минимальной скорости, в результате чего на паруса действуют сравнительно умеренные силы.