Жесткий парус крыло своими руками. О выборе гидродинамического профиля жестких буерных парусов. Влияние формы современного паруса как крыла в плане

За последние несколько лет в яхтенной индустрии было разработано много технологий жестких парусов. Их перфоманс, без сомнения, превосходил классическое парусное вооружение. Используемые в основном в парусных гонках, жесткие паруса по-прежнему остаются очень сложными для повседневного использования и созданы для больших парусных лодок.

Inflated Wing Sails (IWS) предлагает новый плавный и сбалансированный способ движения под парусом. Дутые крылатые паруса стабильны в любых условиях ветра. На конструкцию лодки нет давления. Нет больше лебедок, фалов, вантов или сложного палубного оборудования. Эта технология предлагает ощущение свободы со сбалансированным вооружением, одновременно минимизируя усилия на лодке. Это революция для суперяхт, круизных яхт и транспортных судов, поскольку почти все присущие силы парусу с моноповерхностью исчезают и освобождают палубу от всего ненужного оборудования.

Авиатор Лоран де Калберматтен и яхтсмен Эдуард Кесси создали концепцию, вдохновленную и основанную на парапланах и надувных летательных аппаратах, которые объединяют простоту, перфоманс и удобство использования. Двойной слой образующий симметричный профиль крыла, вентиляторы расположены внутри передней кромки, стабилизируя форму паруса для разных условий ветра и свободно стоящая, убирающаяся мачта, скрытая внутри крыла.

Этот вид паруса можно легко запустить с помощью автоматической системы. Крыло летает вертикально и не создает локального напряжения внутри мембраны, легкие паруса, используемая как для шпангоута, так и для обтекателя. Маленький угол наклона против ветра и более легкие килевые и яхтенные подкрепления, а также требуется меньше средств контроля. Inflated Wing Sails контролируют площадь паруса по высоте мачты. Спуск парусов производится путем спуска крыла и втягивания мачты.

Дутые крылатые паруса идеально подходят для круизных яхт, так как освобождают пространство палубы от оборудования, и упрощают всю конструкцию, что влияет на вес яхты, и улучшает перфоманс. Этот тип оснастки предлагает совершенно новую философию яхтинга.

П.С. Иванов
Журнал КиЯ №2 1964г

В последние годы заметно увеличился интерес конструкторов и спортсменов, занимающихся буерным спортом, к буерам с жесткими крыльями-парусами. Это объясняется, в первую очередь, тем обстоятельством, что начиная с 1962 г. «Положения о соревнованиях на Первенство Советского Союза по буерному спорту» допускают к участию в гонках буера с любой конструкцией паруса, в том числе и с жестким крылом. Изменение «Положений» и было сделано с целью дать толчок развитию конструкций буеров с жесткими парусами, скоростные возможности которых изучены в настоящее время еще очень плохо.

Уже сейчас существует значительное количество буеров с жесткими крыльями-парусами, но они настолько различны по конструктивному исполнению, что не представляется возможным дать сравнительную оценку эффективности выбранных профилей. Кроме того, в силу целого ряда причин, обусловленных спецификой буерного спорта и хорошо известных спортсменам, невозможна постановка чисто лабораторного наглядного эксперимента по сравнению профилей, позволяющего исключить из рассмотрения огромное количество факторов, в совокупности определяющих скорость буера в гонке. Влияние этих факторов зачастую приводит к совершенно неверной оценке скоростных качеств буера.

Между тем имеется возможность производить вполне объективную оценку тяговых качеств аэро динамических профилей с точки зрения работы их как движителей буера. Предлагаемый метод дает возможность конструктору на первой стадии проектирования буера сделать выбор нужного ему профиля из огромного количества аэродинамических профилей (приведенных в атласах и справочниках), руководствуясь вполне конкретными величинами силы тяги и скорости.

Метод заключается в сравнении тяговых характеристик рассматриваемых профилей, причем эти характеристики построены в координатах: безразмерная скорость - безразмерная сила тяги. В качестве исходной используется зависимость Су = f(Сх) для данного профиля, т. е. его поляра.

Для построения тяговой характеристики крыла-паруса выбранного аэродинамического профиля рассмотрим силы (рис. 1), действующие на парус буера, движущегося со скоростью V (м/сек) в направлении о-t при скорости истинного ветра w(м/сек). При движении буера встречный поток воздуха (вектор скорости буера V, отложенный в обратном направлении) в геометрической сумме с истинным ветром дает так называемый «вымпельный» ветер-суммарный поток с (м/сек), который и обтекает крыло-парус под углом атаки а. Векторы V, w и с образуют скоростной треугольник. Угол y между нулевой линией профиля и направлением движения буера будем называть углом установки п р оф и л я.

Аэродинамическая сила R, создаваемая крылом в потоке с, определяется выражением:

где Cr - безразмерный коэффициент аэродинамической силы; p - массовая плотность воздуха, кг*сек2/м4; c - скорость набегающего потока, м/сек.

Для оценки крыла как движителя буера интерес представляют проекции силы R на направление движения буера - сила тяги, или просто тяга, Т и на направление, к нему перпендикулярное,- сила дрейфа, или просто дрейф, D, Очевидно, что при выборе оптимального профиля, так же как и при управлении парусом буера на гонке, нужно стремиться к тому, чтобы получить возможно большую тягу и возможно меньший дрейф.

Совершенно ясно, что независимо от конструктивного выполнения крыла данного профиля для каждого определенного сочетания величин курса буера относительно ветра q, скорости буера V и скорости ветра w существует такой оптимальный угол установки крыла у, при котором проекция аэродинамической силы R на направление движения буера, т. е. тяга Т, будет максимальной (дрейф временно исключен из рассмотрения). Практически угол у зависит только от искусства рулевого буера. В ходе дальнейших рассуждений угол у предполагается оптимальным.

Силы, действующие на парус движущегося буера

Аналитические выражения тяги и дрейфа можно записать следующим образом:

где У и X - величины, называемые в аэродинамике подъемной силой и сопротивлением крыла.

Введя обозначения:
- коэффициент тяги:

Коэффициент дрейфа:

получим окончательно:

Для того чтобы перейти к более удобным безразмерным величинам, рассмотрим скоростной треугольник. При этом безразмерной или относительной скоростью буера V или вымпельного ветра с будем называть отношение каждой из этих величин к скорости истинного ветра w:

Из скоростного треугольника:

Преобразуем выражение, используя полученные зависимости:

Теперь запишем выражение безразмерной тяги Т. Под безразмерной тягой будем понимать отношение силы тяги Т (кг) к скоростному напору истинного ветра w, умноженному на характерную площадь крыла, т. е. к величине:

Безразмерная тяга профиля есть функция только двух параметров: курса буера q и относительной скорости V на данном курсе. Действительно, из выражения:

Коэффициенты Сх и Су зависят от угла атаки профиля а. Но при данных q и v угол (а + у), являющийся, с физической точки зрения, углом атаки корпуса буера, полностью определен [см. выражение (9)]; угол установки профиля у, предполагающийся оптимальным, также определен. Следовательно, угол а, который представляет собой разность (а + у)-у, является функцией величин q и V. Поэтому и коэффициенты Сх и Су и, в конечном итоге, тяга 7. зависят только от этих двух параметров.

Из всего сказанного следует, что для каждого заданного курса буера q можно построить зависимость безразмерной тяги профиля Т от безразмерной скорости V:

Это и есть безразмерная характеристика профиля.

Построив подобные характеристики для всех исследуемых профилей, можно производить сравнительную оценку их тяговых качеств в рабочем диапазоне относительных скоростей V.

Для выбора рабочего диапазона значений V нужно руководствоваться следующими соображениями. Известно, что буер обычно ходит в 1,5- 3 раза быстрее ветра. Так как точное фиксирование скоростей ветра и буера осуществляется только во время организации гонок на рекорд скорости, то их результаты и представляют практический интерес.

По данным протоколов этих соревнований, буера показывают скорость порядка 100 км/час (28 м/сек) при ветре 8-9 м/сек. Рекорд скорости, установленный (см. второй выпуск сборника) в декабре 1963 г. конструктором мастером спорта С. В. Виттом на буере собственной конструкции, равен 105,3 км/час (29,3 м/сек) при скорости ветра около 7,5 м/сек. Из приведенных результатов видно, что в отдельных случаях величина относительной скорости буера может доходить до 4.

Учитывая дальнейшее совершенствование конструкций и рост скорости проектирующихся и строящихся буеров, можно определить границы рабочего диапазона относительных скоростей для исследования профилей: Vmin=1; Vmах=5.

Величина q - курс буера относительно ветра, как известно из практики, может изменяться в процессе гонки в пределах 40/150°. Максимальную скорость буера показывают на больших курсовых углах (q>90°). Это значит, что если речь идет об исследовании профиля, предназначенного для достижения рекордных скоростей, то диапазон изменения величины q может быть сужен (практически в этом случае можно ограничиться значениями q=100/120).

Построение тяговой характеристики профиля следует производить для определенного курсового угла, выбранного из указанных выше диапазонов. Каждому значению q будет соответствовать своя
зависимость Т=f(V).

Для построения тяговой характеристики по формуле (13) приходится воспользоваться графическим способом определения коэффициента силы тяги, поскольку зависимости, связывающие величины Су, Сх и а, всегда приводятся в табличной или графической форме.

Задаваясь значениями безразмерной скорости V, из выражения (9) находим соответствующие им величины tg(а + у) и значения (a+y). Коэффициент силы тяги Ст находится следующим образом (рис. 2). На графике, изображающем поляру исследуемого профиля в координатах Сх-Су (масштаб по осям Сх и Су должен быть одним и тем же), через начало координат проводим серию прямых под углами (а + у) к оси Сх, каждый из которых соответствует своему значению безразмерной скорости V. Прямые на рисунке обозначены величинами соответствующих им скоростей. Линии, касательные к поляре профиля и перпендикулярные к проведенным

линиям относительных скоростей, отсекают на последних, считая от начала координат, отрезки, численно равные величинам коэффициента силы тяги. Масштаб отрезка Ст такой же, как и масштаб по осям Сх и Су поляры.

Графическое определение коэффициента силы тяги профиля № 18

Следует отметить, что при использовании описанного графического метода определения величины Ст необходима точность построений, которая является критерием достоверности получаемых результатов.

На рисунке представлены тяговые характеристики профилей № 18, № 144 и № 129 по «Атласу авиационных профилей», построенные указанным методом. Как видно из сравнения двух верхних кривых, профиль № 18 дает более высокие значения тяги в области больших относительных скоростей, т. е. этот профиль позволяет достичь большей максимальной скорости. Профиль № 144 имеет некоторое преимущество перед № 18 в области малых V, что соответствует периоду разгона буера. Вообще при анализе тяговых характеристик исследуемых профилей необходимо принимать во внимание следующее. Буер, строящийся для достижения максимальной абсолютной скорости (рекордный буер), должен иметь крыло-парус, дающий наибольшую тягу в области больших V. Для такого буера «разгонная» характеристика (величина тяги в области малых V) не является важным фактором оценки. Напротив, для буера, строящегося для участия в обычных соревнованиях, «разгонная» характеристика имеет первостепенное значение, поскольку скорость и курс буера в гонке постоянно изменяются. Эти соображения необходимо учитывать при выборе профилей по их тяговым характеристикам.

Попутно следует отметить еще одно немаловажное обстоятельство. Применяющиеся на буерах крылья симметричного профиля обладают гораздо худшими тяговыми качествами, чем крылья несимметричного профиля. В большинстве случаев тяга несимметричного крыла на 20-50% выше, чем у симметричного, при одинаковой процентности профилей. Приведенная на рисунке кривая № 129 принадлежит симметричному профилю; кривые № 18 и 144 - несимметричным.

Тяговые характеристики профилей № 18, 129 и 144.

Из сказанного ясно, что несмотря на большие конструктивные трудности, препятствующие применению несимметричных профилей на буерах, решение этой проблемы весьма заманчиво, так как сулит значительное увеличение скорости. Это в первую очередь относится к рекордным буерам, для которых задача применения несимметричного профиля может быть решена наиболее просто.

Приведенные на рис. 3 тяговые характеристики профилей построены для курсового угла q=90° (курс галфвинд). Можно рекомендовать при использовании предлагаемого метода оценки профилей начинать построение тяговых характеристик именно для курса галфвинд. В этом случае формулы (9) и (13) принимают вид:

Значения углов (а + у):

Дальнейшее исследование на курсовых углах, отличных от 90°, следует производить при более скрупулезной оценке профилей, если их тяговые характеристики, построенные для курса галфвинд, имеют весьма близкие значения, а также если желательно иметь полную картину тяговых качеств рассматриваемых профилей на всех возможных курсах буера.

Если тяговые характеристики профилей, построенные для нескольких значений курсовых углов, всюду имеют достаточно близкие значения, можно воспользоваться для оценки кривыми дрейфа этих профилей, которые могут быть получены совершенно аналогично кривым тяги. Выбор лучшего профиля в этом случае следует сделать по наименьшему дрейфу.

Конструктору, начинающему проектирование, приходится остановить свой выбор на нескольких профилях или нескольких десятках профилей из многих сотен, рассматриваемых в литературе. Построение тяговых характеристик для большого количества профилей затруднительно и, безусловно, нецелесообразно. Для того чтобы исключить эту бесполезную и трудоемкую работу, необходимо пользоваться методом предварительной, грубой оценки профилей непосредственно по их справочным характеристикам.

Кроме поляры каждого профиля, в литературе обычно приводятся значения следующих величин:
1) максимальной величины коэффициента подъемной силы Суmах,
2) максимальной величины отношения Су/Сх, называемого качеством профиля и обозначаемого Кmах.

Качество профиля представляет собой тангенс угла наклона касательной к поляре, проведенной из начала координат, и характеризует крутизну поляры.

Пользуясь этими величинами, можно без построения тяговой характеристики сделать заключение о характере протекания ее кривой. Действительно, профили, обладающие высоким значением Суmах, дают высокие значения коэффициента силы тяги Ст в области малых относительных скоростей буера, т. е. обладают хорошей «разгонной» характеристикой. Профили же, обладающие высоким качеством, имеют более крутую поляру и дают лучшие значения коэффициента силы тяги в области больших относительных скоростей.

В общем случае можно сказать, что чем круче и выше поляра, тем больше будет величина тяги, развиваемой крылом-парусом данного профиля. Это значит, что все профили, значения Суmах и Кmах которых ниже, чем у данного профиля, могут быть исключены из рассмотрения; кривые их тяговых характеристик расположатся ниже во всех областях V.

На основании всех приведенных рассуждений можно сделать вывод о том, что выбор оптимального профиля не зависит от величины абсолютных скоростей ветра, для которых проектируется буер. Профиль, дающий высокие значения безразмерной тяги, обеспечит высокие ходовые качества буера при любой силе ветра. Рассуждения о том, что один парус лучше тянет в слабый ветер, а другой - в сильный, не имеют смысла. Нужно только иметь в виду, что парус, дающий большую тягу, дает, как правило, и больший дрейф, стремящийся опрокинуть буер. Для борьбы с этой вредной силой должны быть приняты специальные конструктивные меры.

В заключение несколько слов об управлении парусом во время гонки и о максимальной скорости, которой можно достичь на буере.

Управление парусом буера в гонке сводится к установке его относительно диаметральной плоскости под определенным углом у, обеспечивающим максимальную величину тяги. Теоретически вопрос о выборе оптимального угла у решается весьма просто. Для выбранного профиля может быть построена зависимость:

т. е. угол установки есть функция угла атаки корпуса. Угол атаки корпуса можно считать независимой переменной, так как на движущемся буере он является совершенно конкретной величиной, которая может быть непосредственно измерена в любой момент времени, независимо от курса и скорости. Оптимальный угол установки находится как разность углов атаки корпуса и значений углов атаки паруса а, соответствующих точкам касания поляры с перпендикулярами к прямым относительных скоростей (значения углов а отмечены на поляре).

На рис. 4 построена зависимость оптимального угла установки профиля № 18 от угла атаки корпуса буера.

На практике датчиком угла (а + у) может служить вымпел, установленный на корпусе буера. Таким образом, остается лишь разработать конструктивные мероприятия, позволяющие спортсмену на гонке использовать расчеты конструктора.

О максимальной скорости буера можно сказать следующее. Из диаграммы сил на рис. 1 видно, что крыло дает силу тяги только в том случае, если соблюдается неравенство:

Нижним пределом отношения Сх/Су является величина, обратная качеству профиля 1//Kmах. Следовательно, угол атаки корпуса (а+у) не может быть меньше, а соответствующая ему скорость буера больше совершенно определенной величины. Для курса галфвинд пределом значения относительной скорости, при котором сила тяги обращается в нуль, является качество профиля Kmах.

Зависимость оптимального угла установки профиля № 18 от угла атаки корпуса.

Действительный предел относительной скорости буера лежит значительно ниже и определяется точкой пересечения кривых тяги и сил сопротивления. Зависимость сил сопротивления от скорости можно представить себе как некоторую квадратичную кривую, представляющую собой сумму сил воздушного сопротивления корпуса буера и трения коньков о лед (сопротивление паруса уже учтено уменьшением силы тяги). Эта кривая, будучи приведена к безразмерному виду, может быть нанесена на график тяги профиля. Для увеличения относительной скорости буера, имеющего в качестве движителя крыло данного аэродинамического профиля, нужно стремиться к уменьшению воздушного сопротивления корпуса и трения коньков о лед (в этом случае точка пересечения кривых тяги и сопротивления передвигается вправо вдоль оси у).

Предел абсолютной скорости буера определяется прочностью его конструкции, способной противостоять большой силе дрейфа.

И тему применения паруса на современных транспортных судах, и тему совершенствования вооружения в борьбе за скорость под парусами можно считать постоянными на страницах "КиЯ". Однако до сих пор речь шла об опыте зарубежном, наши конструкторы и ученые могли рассказать лишь о своих проектных предложениях и изобретениях.

На этот раз мы с удовольствием предоставляем слово петербуржцу Виталию Ивановичу Юшину и москвичу Баррикадо Георгиевичу Мордвинову для рассказа об успешном применении новаторского "живого" паруса на "живом" судне. И подчеркнем: это - перспективная самостоятельная разработка большого коллектива. выполненная на высоком уровне с учетом последних достижений техники. Статья представлена в начале 1992 г. Задержка с ее публикацией произошла по независящим от редакции обстоятельствам.

Одновременно пользуемся случаем поблагодарить редакцию журнала "Судостроение" за предоставленную возможность использовать материалы статьи тех же авторов "Научно-исследовательское судно с ветродвижителями "Академик Иоффе" (в №3 за 1990 г.).

В одном из ближайших номеров постараемся поместить статью украинских авторов (В. Микитюк и др.) об их опыте применения жестких парусов-крыльев. Два таких "прямых" трехсекционных паруса площадью по 15 м 2 конструкций ЛИСЭД НКИ (см. за 1985 г.) были установлены на научно-исследовательском судне "Дельта", переоборудованном из 25-метрового сейнера в г. Николаеве. Пока познакомиться с опытом николаевцев можно по публикации в журнале "Судостроение " №4 за 1992 г.

На одном из двух научно-исследовательских судов, построенных в 1988-1989 гг. финской фирмой "Холминг" для нашей Академии Наук, сделан интересный шаг вперед на пути использования вспомогательного парусного вооружения - установлены два управляемых дистанционно жестких паруса нового типа.

Считается, что изобрел подобный ВД в начале 70-х гг. Джон Уолкер, нынешний президент английской фирмы "Уолкер Вингсэйл Системс".

В нашей стране первые попытки проектирования жесткого щелевого паруса были предприняты еще в 1986 г. группой специалистов бывшего ЛЦПКБ (ныне ЦНИИ МФ): Б. Н. Захаровым, Г. М. Кудреватым и В. В. Шайдоровым. Однако воплощение идеи в законченном виде впервые можно было видеть только в конструкциях упомянутой английской фирмы. В за 1990 г. подробно рассказывалось об устройстве экспериментального крейсерского тримарана "Плейнсейл". Каждое из двух его жестких крыльев общей площадью 57 м; состоит из двух частей: неподвижной передней части и поворотной основной части (закрылка). Поворот закрылка делает общий профиль крыла несимметричным и открывает щель - проход для потока, поступающего с неподвижной части крыла на засасывающую поверхность закрылка, что и обеспечивает повышение тяги системы.

На первом этапе экспериментальной отработки ВД была испытана серия крыльев с обычной "авиационной’’ механизацией (система - предкрылок, основное крыло, несколько закрылков). Анализ полученных результатов свидетельствовал о достаточно высоких тяговых характеристиках ВД такого типа. В то же время стали очевидными и его недостатки, среди которых следует отметить сложность изготовления элементов системы, имеющих различную конфигурацию. В связи с этим заказчиком было высказано пожелание разработать конструкцию, состоящую из элементов одинаковой конфигурации, что позволило бы изготавливать их в одной матрице.

С целью отработки ВД с элементами одинаковой профилировки в той же аэродинамической трубе ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова была испытана серия моделей с различными вариантами базового профиля, удлинения крыла, взаимного расположения элементов и конфигурации концевых шайб.

В результате проведенных исследований с учетом всех требований компоновочного характера был выбран окончательный вариант ВД, представляющий ограниченное верхней и нижней шайбами крыло малого удлинения (l=1.25) с криволинейным профилем (f=0.32), составленным пятью одинаковыми крыльевыми элементами. Профилировка этих элементов и просвета между ними обеспечивает выдув потоков воздуха из наветренной области повышенного давления одного крыла по касательной к засасывающей поверхности другого.

Три крыльевых элемента (нечетные) сделаны неподвижными и одновременно обеспечивают жесткость всей конструкции ВД, имеющей высоту 10 м и ширину 8 м. Регулировка просветов от полного смыкания кромок до максимального раскрытия - производится благодаря тому, что два четных крыльевых элемента сделаны управляемыми: они вращаются относительно вертикальных осей, расположенных на расстоянии 26% хорды от носика профиля крыла. При резких порывах ветра поворотные элементы автоматически разворачиваются во флюгерное положение, что сразу же во много раз уменьшает ветровую нагрузку на ВД. Прочность конструкции рассчитана на скорость ветра 20 м/с, а нормальная работа ВД - на скорости 6-16 м/с.

Основные аэродинамические характеристики выбранного варианта ВД и его сравнение с парусом "японского" типа приведены на графиках, построенных по результатам экспериментов. Обращает внимание высокое значение коэффициента подъемной силы в области критического угла атаки и наличие такой области углов атаки (35-55°), в которой эти значения практически постоянны. Постоянство С у max в широком диапазоне а, в отличие от обычных парусов, где наблюдается резкое падение подъемной силы при достижении критического угла атаки, позволяет эксплуатировать ВД в реальных условиях, когда ветер нестационарен по направлению, при углах атаки, обеспечивающих максимальную тягу.

Профиль всех крыльевых элементов - несимметричный. Естественно, что при обтекании со стороны задней острой кромки профиля эффективность его существенно уменьшается. Это значит, что при смене галса ВД будет работать плохо Было предложено несколько схем переворота ВД относительно горизонтальной оси, однако их реализация представляла такую сложность, что было принято альтернативное решение, заключающееся в установке двух одинаковых ВД площадью по 80 м 2 , один из которых при любом галсе работает в благоприятном. а другой - в неблагоприятном режиме.

На НИС "Академик Иоффе" эти ВД по конструктивным соображениям могли быть установлены только побортно в непосредственной близости друг от друга, что потребовало принятия специальных мер по уменьшению неблагоприятного аэродинамического взаимодействия ВД. Первые же продувки показали, что тяга такой компоновки из двух ВД ниже, чем сумма тяги двух ВД, работающих изолированно. В дальнейшем выяснилось, что для уменьшения взаимовлияния ВД надо накренить подветренный ВД. чтобы вывести его из аэродинамической тени наветренного.

Следует добавить, что полученные в процессе отработки ЩВД профили обладают уникальными свойствами и могут быть использованы при решении многих прикладных задач аэрогидродинамики. Например, в качестве ветроотбойников. обтекателей конструкций, носовых крыльев самолетов типа "утка", элементов ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, волнодвижителей и т.д.

Примечания

1. Следует заметить, что существует и другое направление, когда речь идет об установке системы из нескольких отдельных жестких профилированных парусов-крыльев без использования эффекта их взаимодействия.

2. Винторуленая поворотная колонка с самостоятельным приводом (на НИС "Академик Иоффе" - электродвигатель 600 кВт) для улучшения управляемости на малом ходу.

3. Как отмечено в обзоре А. Хаустова "Экология и судостроение" (см. "Судостроение" №10, 1992), развитие проверенной на НИС "Академик Иоффе" концепции уже позволяет создавать жесткие многокрыльевые паруса со вдвое более высокими тяговыми характеристиками. Выполнена, в частности, перспективная проработка - механизированное парусное вооружение катамарана "Пассат": на каждой из трех его мачт предусмотрена установка шести (по высоте) парных секций таких парусов.

Вопрос, вынесенный в заголовок, все еще не нашел окончательного разрешения. Первые эксперименты по замене традиционного паруса вертикальным крылом, по профилировке и конструкции близким самолетному, не принесли ожидаемого результата. Дело в том, что за сотни лет своего существования парус превратился в прекрасное многорежимное устройство для преобразования силы ветра в тягу, сообщающую движение судну или буеру. Причем он достаточно эффективно работает как на полных, так и на острых курсах, при сильном и слабом ветре, при ровном его потоке и при шквалах. Помимо этого, парус является прекрасным прибором, позволяющим рулевому с высокой точностью настраивать его в соответствии с выбранным курсом и направлением ветра, его силой, возникающим креном парусника и другими параметрами движения.

Так при чем же здесь крыло, если у паруса столько неоценимых достоинств? Дело в том, что при всех своих положительных качествах парус имеет существенный недостаток: он обладает чрезвычайно низким «качеством» - термин сугубо аэродинамический, определяющий отношение коэффициента подъемной силы (для самолетного крыла) к коэффициенту лобового сопротивления. Физически это означает, что при равных условиях крыло заданной площади создает тягу во столько раз большую, во сколько раз качество его больше качества паруса той же площади.

Если вспомнить первые аэропланы, то поперечные сечения их крыльев были практически такими же, как и паруса тонкий выпукло-вогнутый профиль с достаточно острой кромкой. Помимо того, что подобный профиль обладал весьма низким качеством, он имел и крайне неудовлетворительную характеристику-поляру: подъемная сила возникала на крыле в крайне узком диапазоне углов атаки, а критический угол был угрожающе малым, и превышение его приводило к сваливанию самолетов того времени в штопор.

Если рассмотреть сечение паруса, то можно заметить, что это тоже вогнуто-выпуклая пластина с круглым или овальным утолщением - мачтой. Профиль такого типа крайне неудовлетворительно работает на острых курсах и подчас делает невозможным движение, близкое к направлению «левентик» (носом к ветру): происходит срыв потока, сопровождающийся заполаскиванием паруса и практически полной потерей его тяги Надо отметить, что ситуация меняется на полных курсах - когда ветер дует сбоку, сбоку-сзади и сзади. В этом случае парус явно эффективнее крыла. Правда, если это крыло не механизированное.

Первые попытки создания нового типа паруса с характеристиками, близкими крылу на острых курсах и парусу - на полных, предпринимались чуть ли не два десятилетия назад. Передней кромкой его стала сама профилированная поворотная мачта, сечение которой напоминало самолетный крыльевой профиль. В ликпаз мачты вставлялся узкий парус, усиленный сквозными латами. Такая законцовка и сама мачта имели практически одинаковые хорды, а вся система в целом, по сути, представляла собой крыло с гибким закрылком. Она уже обладала целым рядом преимуществ, но все же была вынужденным вариантом, так как сковывалась требованиями правил, существовавших в то время для некоторых классов катамаранов и буеров.

Буер с механизированным паруcом-крылом:

1 - оковка (стальной лист толщиной 3 мм), 2 - мачта (дюралюминиевая труба Ø 40Х1,5 мм), 3 - краспицы, 4 - ванты (стальной трос Ø 5 мм), 5 - штаг (стальной трос Ø 5 мм), 6 - крыло, 7 - закрылок, 8 - рулевое устройство, 9 - сиденье, 10 - корпус-обтекатель (фанера толщиной 3…4 мм), 11 - задний конек, 12 - поворотная вилка заднего рулевого конька, 13 - вилка переднего конька, 14 - передний конек, 15 - поперечная балка.

Логичным поэтому представляется переход к целиком жесткому механизированному крылу по типу самолетного, с жестким же закрылком, значительно увеличивающим коэффициент «подъемной» силы такого паруса на больших углах атаки и, следовательно, на полных курсах.

Крыло с закрылком:

1 - концевая нервюра крыла (фанера толщиной 10…12 мм), 2 - лонжерон (сосновые рейки 20Х60 мм), 3 - передняя кромка (сосновая рейка сечением 30X30 мм), 4 - нервюры № 7 и № 8 (фанера толщиной 5 мм), 5 - усиленная нервюра № 6 (фанератолщиной 10…12 мм), 6 - задняя стенка крыла (сосновая доска толщиной 20 мм), 7 - укороченные нервюры № 2-5 (фанера толщиной 5 мм), 8 - укороченная корневая нервюра (фанера толщиной 12 мм), 9 - корневая нервюра закрылка (фанера толщиной 12 мм), 10 - нервюры № 2-5 закрылка (фанера толщиной 5 мм), 11 - передняя кромка закрылка (сосновый брусок сечением 40X60 мм), 12 - внутренние расчалки крыла (капроновый или льняной шпагат, стальная проволока Ø 0,3 мм), 13 - диагональный элемент закрылка (фанера толщиной 5 мм), 14 - задняя кромка закрылка (сосновая рейка сечением 20X50 мм), 15- задняя кромка крыла (сосновая рейка сечением 20Х50 мм), 16 - раскосы лонжерона (сосновые рейки сечением 20X20 мм), 17 - обтекатель (фанера толщиной 5 мм), 18 - концевая нервюра закрылка.

Поначалу предполагалось, что поворотный закрылок будет на всю длину (точнее - высоту) крыла-паруса. Однако оказалось, что гораздо выгоднее, чтобы закрылок занимал лишь около 60% высоты крыла. Дело в том, что характеристика ветра на разных уровнях неоднородна: внизу его скорость несколько меньше, чем на высоте нескольких метров, кроме того, меняется и его вектор. Это означает, что угол атаки корневой части паруса-крыла относительно направления вымпельного ветра окажется больше, нежели у его концевой части. В идеальном случае неплохо было бы иметь «дробный» закрылок по всему размаху крыла, состоящий из нескольких секций, отклоняемых на разные углы Однако практически оказалось вполне достаточным оснастить закрылком лишь нижнюю часть крыла.

Все эти соображения легли в основу конструирования буера с жестким механизированным парусом-крылом площадью 5 м. Схема самого буера достаточно традиционна: трехточечная конструкция с задним управляемым коньком. Основанием корпуса служит собранная из сосновых брусков и фанеры рама; из фанеры же и обтекатель. Поперечная балка также деревянная - для нее подойдет прямослойная ровная доска толщиной 60 мм и длиной 3,3 м

На раму потребуется два продольных сосновых бруска сечением 25X60 мм и длиной 3,5 м и пять-шесть поперечных. Сверху и снизу они в сборе обшиваются фанерой толщиной 5 мм. Соединение деревянных элементов лучше всего вести на эпоксидном клее (однако пригоден и казеиновый). После отверждения клея и обработки полученной панели по наружному контуру на ней монтируется брусок основания (степс) мачты, а также опорный брусок рулевого конька.

Фанерный обтекатель собирается по упрощенной технологии Предварительно имеет смысл на небольшой модели (например, 1:5) уточнить конфигурацию элементов обшивки, вырезав их из плотной бумаги или картона, а потом уже перенести их очертания на фанеру. Далее в полученных заготовках вдоль стыкуемых кромок насверливаются с шагом 50-100 мм отверстия диаметром 2-3 мм, затем детали «сшиваются» мягкой медной проволокой. После соединения такими скрутками заготовок обтекателя все стыки изнутри заделываются эпоксидной шпаклевкой, состоящей из смолы и мелких древесных опилок. По завершении ее отверждения проволока снаружи удаляется кусачками-бокорезами, а изнутри стыки оклеиваются двумя-тремя слоями стеклоткани на эпоксидной смоле.

Но вот обтекатель установлен на панель основания, корпус снаружи прошпаклеван и зачищен. Остается оклеить его слоем стеклоткани и после финишных шпаклевок и окончательной зачистки окрасить синтетическими эмалями.

Поперечная балка буера - монолитная. Она вырезается из целой прямослойной доски толщиной 60 мм и максимальной шириной 320 мм. Если подобрать такое сечение затруднительно, балку можно склеить из двух-трех досок меньшей толщины. В готовом виде она имеет обтекаемую форму и переменное поперечное сечение. К панели основания балка крепится четырьмя болтами с резьбой М10 и гайками с шайбами; фиксируется двумя растяжками из стального троса Ø 4 мм со стандартными талрепами. На концах балки устанавливаются узлы подвески коньков.

Кстати, передние коньки амортизации не имеют: упругим элементом для них является сама поперечная балка. Задний управляемый конек может быть также без амортизатора, хотя отсутствие его несколько затрудняет управление буером. Но, в принципе, подрессорить его - задача не из сложных.

Управление рулевым коньком - тросовое, с приводом от руля автомобильного типа. Передача вращающего момента осуществляется стальным тросом Ø 3 мм, пропущенным через барабан Ø 60 мм на рулевой колонке, две пары направляющих роликов и двойной рулевой сектор Ø 250 мм. Барабан и ролики дюралюминиевые, точеные.

Поворотный узел паруса-крыла:

1 - велосипедная звездочка, 2 - мачта, 3 - крыло, 4 - малая велозвездочка, 5 - закрылок, 6 - ось поворота закрылка, 7 - поворотный узел, 8 - штифты цилиндрические Ø 6 мм, 9 - подпятник (дюралюминий), 10 - втулка (фторопласт, капрон или текстолит), 11 - винт М5, 12 - винт М5.

Одним из самых сложных элементов конструкции буера является механизированное крыло-парус. Собирается оно по классической «планерной» технологии. Для начала заготавливаются нервюры - для шести потребуется фанера толщиной 5 мм, а для трех (в том числе корневой и концевой) - толщиной около 12 мм. Для построения профилей нервюр советую воспользоваться таблицей из координат, каждое из значений которой выражено в относительных единицах (в процентах) от длины хорды профиля. Чтобы получить значения абсцисс и ординат соответствующего сечения паруса-крыла, нужно значение длины этого сечения последовательно умножать на табличное значение координат профиля. Следует отметить, что для паруса-крыла выбран профиль с относительной толщиной, равной 10%; он обладает высоким качеством и хорошо работает в большом диапазоне углов атаки.

Продольными элементами крыла-паруса являются лонжерон, носок и задняя кромка. Помимо этого, на участке от первой до шестой нервюры врезается стенка, разделяющая крыло на собственно крыло и закрылок.

Лонжерон - ферменной конструкции, его основу составляют верхняя и нижняя полки (сосновые рейки сечением 20X60 мм). После сборки он усиливается спереди и сзади рейками-раскосами, что и образует весьма жесткую ферму.

Передняя кромка - тоже сосновая рейка сечением 30X30 мм. Стыковка ее с нервюрами производится так: в кромке под них пропиливаются пазы, носок каждой из нервюр при этом обрезается, чтобы после сборки не было искажений профиля.

Приблизительно так же врезаются в нервюры задняя кромка и задняя стенка крыла. Здесь глубина пазов нужна в 10-15 мм.

Сборка крыла начинается с подготовки плаза. На ровном полу расчерчивается плановая проекция паруса-крыла с осями лонжеронов и нервюр. Далее на плазе закрепляется нижняя полка лонжерона, а на ней монтируются нервюры и закрепляются штапиками и эпоксидным клеем. Фиксация штапиков - небольшими гвоздями. Далее устанавливается на клею верхняя полка лонжерона и точно так же стыкуется с нервюрами.

Основание корпуса буера:

1 - поперечина (сосновый брусок сечением 20X60 мм), 2 - поперечины крепления степса мачты (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 3 - степс (сосна 60X80X80 мм), 4 - поперечины узла крепления поперечной балки буера (сосновые бруски сечением 20Х60 мм), 5 - площадки крепления поперечной балки (сосновые бруски сечением 50Х60 мм), 6 - 8 - поперечины (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 9 - поперечины узла крепления рулевого конька (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 10 - установочная площадка рулевого конька (сосна 60X80X80 мм), 11 - законцовка (сосновый брусок сечением 60X60 мм), 12 - обшивка основания корпуса (фанера толщиной 5 мм), 13 - лонжероны основания (сосновые доски сечением 25X60 мм), 14 - носовая часть основания (сосновый брусок сечением 40Х60 мм).

Конек буера:

1 - лезвие конька (стальная полоса толщиной 8 мм), 2 - щека (бук или дуб), 3 - винт крепления щек к лезвию, 4 - втулка (труба стальная Ø 20Х3 мм, крепится к лезвию сваркой).

Убедившись, что эти элементы крыла соединены без перекосов, можно перейти к монтажу передней и задней кромок, а также задней стенки. Операция эта производится с помощью эпоксидной шпаклевки - с введенными в смолу мелкими древесными опилками или зубным порошком. Далее каркас крыла фиксируется на плазе так, чтобы были исключены искривления или перекосы. После отверждения эпоксидного связующего лонжерон усиливается раскосами. Диагональные силовые элементы следует ввести и между нервюрами, что значительно увеличит жесткость крыла при его кручении. Для этого совсем не обязательны раскосы - можно натянуть внутрикрыльевые растяжки из прочного капронового или даже льняного шпагата. Чтобы обеспечить одинаковое натяжение, рекомендуется делать их из единой нити. Места стыков растяжек с элементами конструкции крыла фиксируются эпоксидным клеем.

Приблизительно так же собирается и закрылок. Правда, устроен он не в пример проще крыла: два продольных элемента (передняя и задняя кромки), нервюры и диагональные раскосы. Сборка нервюр с продольными элементами - с помощью врезки; диагональные вставляются враспор, фиксация - эпоксидным клеем.

Обшивка паруса может быть самой различной. Проще всего обтянуть его перкалем, покрыть три-четыре раза эмалитом, а затем нитрокраской. Лучше, конечно, оклеить крыло лавсановой пленкой по «модельной» технологии. Как это делается, можно узнать из публикаций журнала «Моделист-конструктор». Наконец, подойдет и обшивка из воздухонепроницаемой ткани - например, болоньи или технической типа «500».

Аналогично выполняется и закрылок. Он подвешивается к крылу на двух самодельных петлях так, чтобы ось поворота закрылка совпадала с плоскостью хорд крыла.

Механизированный парус имеет возможность поворачиваться вокруг неподвижно закрепленной мачты, представляющей собой дюралюминиевую трубу Ø 40Х1,5 мм (можно использовать спортивный прыжковый шест; деревянный вариант должен иметь увеличенный диаметр у основания - до 50 мм). При этом крыло опирается на подпятник, зафиксированный на мачте. Для облегчения поворота паруса на его корневой нервюре монтируется опорная втулка, выточенная из капрона, фторопласта или текстолита.

При повороте крыла относительно корпуса навешенный на петлях закрылок автоматически отклоняется в противоположную сторону. Это достигается благодаря установленным на мачте и закрылке велозвездочкам с передаточным числом около 1,5, кинематически связанным втулочно-роликовой цепью. Угол поворота закрылка приблизительно в полтора раза больше, нежели угол отклонения крыла. Следует отметить, что угол этот - а следовательно, и передаточное число цепного привода - подбирается опытным путем. Кстати, имеет смысл установить звездочку на мачте не жестко, а с помощью простейшего фиксатора - например, резьбовой шпильки с рукояткой. Это даст возможность настраивать крыло-парус применительно к условиям движения - курсу и скорости ветра.

Мачта буера устанавливается в выточенный из дюралюминия стакан-степс. На топе мачты закрепляется оковка с тремя ушками для штага и пары вант (из троса диаметром 5 мм и трех стандартных винтовых талрепов).

Регулировка положения паруса-крыла производится с помощью шкотового устройства, состоящего из пары двухшкивных блоков и капронового каната диаметром 8-10 мм.

Коньки - со стальным полозом. Специалисты, правда, утверждают, что более подходит для этой цели бронза, однако разница между ними не слишком заметна. Щеки коньков - деревянные, желательно из бука или дуба. С полозом они соединяются винтами и гайками с резьбой М6 или М8.

Отладку буера следует производить в процессе пробных заездов. Предварительно имеет смысл к поверхности паруса-крыла подклеить (например, пластилином) тонкие нити-шелковинки длиной около 200 мм. Желательно, чтобы на каждой стороне паруса-крыла их было не менее пяти-шести десятков, причем наиболее интересны для контроля при пробных заездах зоны максимальной толщины крыла и оси поворота закрылка. Шелковинки наглядно подскажут вам о приближении срыва потока и позволят подобрать оптимальные соотношения между углами отклонения закрылка и самого паруса-крыла.

В. ЕВСТРАТОВ, инженер

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.

Яхтинг с самого начала преследовал, если так можно выразиться, развлекательные цели. Однако тяга к развлечению людей на воде подвигла конструкторскую мысль к поиску новых форм судов для достижения новых скоростей, для более комфортного и безопасного плавания. Конструкторы парусов тоже не отстают иразрабатывают совершенно новые формы паруса.

В яхтостроении постоянно разрабатываются и применяются новые материалы и технические решения. Стоит только посмотреть на изменение формы корпусов яхт, которые произошли всего за 50 лет, да что там говорить, почти каждый год появляются новые смелые решения. На сегодня, можно сказать, что яхтинг в конструкторском и исследовательском плане не только не стоит на месте, а напротив, является полигоном для опробования новых концепций и технических решений. Это касается ипарусов. Мы можем наблюдать, как появляются совершенно новые паруса - асимметричные спинакеры, такие например, как Code Zero. Сегодня мы поговорим ещё об одном новшестве - парасейлоре. Этот удивительный парус уже можно видеть на некоторых яхтах и что самое интересное - его разрешили использовать в гонках по классификации IRC.

История создания

Яхтсмены знают, что применяя спинакер, возможны следующие негативные явления - «дергание» лодки и создающийся под действием сил дифферент на нос. Част онекотролируемое приведение локди к ветру и брочингю. Лодка становится рыскливой, падает скорость, рулевому приходится прилагать дополнительные усилия, часто, для компенсации этого явления экипаж «кучкуется» на транце. При слабых ветрах спинакер может вообще перестать держать свою форму, опасны для него и резкие порывы ветра. Для борьбы с этим явлением было предложено снизить давление ветра на спинакер, для этого делались попытки - сделать сквозные щели и создать тканевые трубки вшитые в парус, слегка направленные вниз (смотрим от кормы), чтоб возникающая реактивная тяга на них направленная вверх, уменьшала вертикальную составляющую, направленную вниз. Этo так называемый Venturi spinnaker, попытки применения которого были ещё в 50-х годах 20-го века. Этот парус работал уже устойчивей, однако эффект оказался очень низким и почти не ощущался. Удачным оказался гибрид паруса и крыла, похожего на летающее крыло - парасейл. Этот парус представлял из себя спинакер снабженный щелью в верхней части паруса с крылом. Его и назвали по аналогии — парасейлор.

Редкий Venturi spinnaker не получил распространения

Что такое парасейлор

Этот парус представляет из себя спинакер, в который вшито самонастраивающееся крыло. Это крыло состоит из двух частей, при набегании потока воздуха оно принимает выпуклую форму и самоподдерживается в таком состоянии. Несмотря на кажущуюся сложность и обилие деталей, постановка и работа паруса не вызывает никаких проблем. А надо сказать, что количество деталей в несколько раз больше, чем на обычном парусе. Что самое интересное — возникающая сила, направленная вверх ощутимо уменьшает дифферент на нос - до 20%, при этом, несмотря на наличие большой щели, занимающей примерно 25% площади всего спинакера, это не сильно отражается на уменьшениитяги. На испытаниях было зафиксированы падение всего на единицы процентов. Чудо? Нет, всего лишь удачная конструкторская мысль сочетать парус и крыло. Этот парус создал Хартмут Шедлих, яхтсмен с большим стажем, основатель компании Parasailor. Парус создавался не просто, это стало возможным благодаря наличию современной вычислительной техники, так как требовалась масса расчетов трехмерного обтекания крыла воздушными потоками. Но результат превзошел ожидания.

Преимущества паруса

Итак, что дает использование крыла на парусе?
1. Отверстие дает стабилизацию работы паруса - избыточное давление попросту сбрасывается.
2. Наличие щели в верхней части перенаправляет усилие на нижнюю часть паруса, тем самым уменьшая крен
3. Крыло работает в виде латы, поддерживая правильную форму паруса, что благоприятно сказывается при слабых ветрах. Но все же этот парус для хорошего ветра.
4. Крыло создает тянущий вверх и вперед момент, разгружающий нос яхт и компенсирующий потерю площади паруса из-за отверстия.
Многие путешественники, особенно те, кто двигается с попутными ветрами, избирают парасейлор, так как этот парус не нуждается в особой настройке и позволяет спокойно жить экипажу на борту. Недаром его можно увидеть на катамаранах, этих судах, которые двигаются преимущественно с попутными ветрами.

Что является негативным во всей этой истории, так это цена. Несмотря на рекламные заверения производителя, что парус будет лишь немного дороже, реально его цена в три раза дороже обычного спинакера. Несмотря на это, мастерская, изготавливающая такие паруса, уже перегружена заказами.