Эффективность спинакера обусловливается его формой, размерами и весом ткани. В свою очередь, форма спинакера определяет его силу тяги, зависящую от сопротивления паруса набегающему потоку воздуха.
Наибольшим сопротивлением обладает плоская пластина благодаря тому, что вся ее поверхность воспринимает действие нормальных сил, т. е. полностью использует весь динамический напор потока воздуха, исключая потери на кромках (рис. 1, а). Однако на практике плоские спинакеры не нашли применения вследствие конструктивной сложности установки такого паруса достаточно большой площади на яхте.
В выпуклой пластине, а таковыми практически являются применяющиеся на яхтах спинакеры, долько средняя ее часть воспринимает весь динамический напор. Остальные же области выпуклой пластины воспринимают лишь часть динамического напора, тем меньшую, чем больше кривизна пластины.
Движение воздуха в реальном спинакере определяется двумя потоками: входящим и выходящим. Поступление воздуха происходит в центре, а выход — по периферии внутренней поверхности паруса.
Если исходить из уравнения неразрывности потока, т. е. постоянства количества воздуха, проходящего через любое сечение потока, можно написать:
Из приведенного уравнения следует, что постоянство расхода воздуха может быть обеспечено только за счет изменения скоростей потока. Так, при F1>F2>F3 скорости ω1<ω2<ω3.
Из рис. 1, б, в, д видно, что площадь поперечного сечения входящего потока воздуха F1 значительно больше площади поперечного сечения выходящего потока F2, Поэтому скорость выходящего потока wt значительно больше скорости потока входящего. Вследствие этого происходит потеря полезного динамического напора из-за торможения входящего потока воздуха на части поверхности паруса. Избежать полностью этой потери невозможно, однако можно спрофилировать спинакер так, чтобы уменьшить скорость выходящего воздуха за счет увеличения выходного сечения. При этом часть скоростного напора будет преобразована в давление, что дополнительно увеличит тягу спинакера.
Таким образом, кривизна поверхности отрицательно влияет на силу тяги спинакера. В то же время создать спинакер в форме плоской пластины невозможно, так как он будет неустойчив в работе, особенно в условиях качки. Поэтому в зависимости от размеров спинакера в каждом отдельном случае необходимо искать оптимальный вариант.
Почти все первые отечественные спинакеры шились с центральным швом, из двух плоских половин (рис. 2, а). Форма паруса определялась кривизной центрального шва, величина которой выбиралась в зависимости от условий, для которых проектируется парус, силы ветра и курса яхты.
Раскрой спинакеров для фордевинда и бакштага был одинаков; отличие состояло лишь в глубине спинакера, которая определялась максимальным расстоянием между центральным швом и боковой шкаториной. Так, для яхт «R-5,5» спинакеры, используемые на курсе бакштаг, имели глубину не более 3,5—3,7 м, а для фордевинда 4,2—4,5 м. Располагая тяжелой тканью, все стремились создать спинакер, который был бы устойчивым даже в ущерб его аэродинамическим качествам. Форма этого спинакера характеризуется малой кривизной центрального шва в нижней и средней части и большой кривизной в верхней части. Площадь такого спинакера зависит только от его глубины. При работе верхняя часть паруса «стоит» плохо и в целом парус имеет плохую тягу.
Другая форма спинакера (рис. 2, б) характеризуется меньшей кривизной центрального шва в верхней части; кривизна центрального шва не является произвольной, а представляет собой дугу окружности, радиус которой определяется практическим путем. Такие спинакеры, несмотря на относительно малую площадь (около 55 м2 для «R-5,5»), имели хорошую тягу.
Позднее максимальное расстояние между центральным швом и боковой шкаториной Сmax переместилось ниже средней линии спинакера. При работе спинакер несколько изменяет свою форму и максимальная глубина паруса перемещается вверх. Было замечено также, что спинакер со свободными боковыми шкаторинами при работе имеет значительно большую проекцию на нормальную к ветру плоскость. В этом легко убедиться на практике; достаточно на работающем спинакере приподнять шкотовый и галсовый углы: боковые шкаторины освобождаются, а верхняя часть спинакера дополнительно раскрывается, сила тяги паруса увеличивается.
Однако нести его становится очень трудно: при невнимательном управлении спинакер часто «гаснет»; его «водит» из стороны в сторону. Кроме того, у спинакера с поднятыми нижними углами чрезмерно увеличивается глубина в нижней части, что способствует образованию застойной зоны, отрицательное влияние которой может свести на нет весь выигрыш от освобождения боковых шкаторин.
Известно, что при работе спинакера сила натяжения боковых шкаторин изменяется по длине от максимального значения в нижней части (около гал-соаого и шкотового углов) до минимального в верхней части. При этом натяжение боковой шкаторины происходит по прямой АВ, соединяющей нижние и верхний углы (рис. 2, в). Поэтому, чтобы сделать боковую шкаторину свободной, ее стали выполнять с положительным серпом, имеющим максимальный прогиб в средней части. Это позволило увеличить площадь спинакера, однако оказалось, что боковые шкаторины с большим серпом (например, для спинакеров яхт «R-5,5» серп достигал 40 см) заваливаются под ветер, ломаясь по прямой АВ. Части боковых шкаторин паруса правее прямой АВ оказывались совершенно нена-груженными и практически не могли увеличить тягу спинакера.
В дальнейшем боковые шкаторины спинакера проектировались таким образом, чтобы сделать длины АаВ и Аа'В равными. Благодаря этому сила натяжения боковых шкаторин равномерно распределялась между кривыми АаВ и Аа'В.
Боковым поверхностям спинакеров стали придавать сферическую форму за счет применения закладок по кромкам полотнищ. Тяга благодаря применению закладок значительно увеличилась, однако до сих пор количество закладок, место их расположения и изменение величины по высоте спинакера определяются опытным путем. Более наглядное представление о развитии формы отечественных спинакеров дает приводимая таблица, в которой сравниваются основные размеры (рис. 3) американских и отечественных спинакеров яхт класса «R-5,5» (данные, относящиеся к 1956—1960 гг., получены методом сравнения фотографий).
Современный спинакер состоит из двух частей: верхней сферической и нижней цилиндрической. Сферическая поверхность спинакера образуется как за счет криволинейности центрального шва, так и за счет за кладок. Переход сферы в цилиндр должен быть выполнен по возможностн более плавно. Эту задачу можно решить геометрически, однако такое решение будет справедливым лишь для жесткой поверхности. Под действием ветра спинакер приобретает форму, значительно отличающуюся от формы жесткой поверхности тех же размеров. В частности, максимальная глубина спинакера стремится переместиться вверх. Поэтому в чертеж спинакера необходимо вносить соответствующие поправки.
Для .жесткой поверхности место перехода сферы в цилиндр должно находиться в средней части по высоте спинакера. Фактически место перехода сферы в цилиндр необходимо располагать ниже средней по высоте части паруса. Спинакер надо раскраивать так, чтобы около 2/3 его поверхности занимала верхняя сферическая часть и лишь 1/3 — нижняя, цилиндрическая. Плавный переход сферы в цилиндр осуществляется путем соответствующего подбора величины закладок на боковых поверхностях от максимальных (в сферической части) до минимальных (в цилиндрической); величина закладок должна равномерно уменьшаться по направлению к нижнему полотнищу.
Важно правильно определить радиус сферы спинакера, от величины которого зависят объем и площадь паруса. Для спинакеров яхт класса «R-5,5» площадью 69—70 м2 радиус верхней сферы должен составлять 3,5—3,55 м. При этом большее значение соответствует более плоскому спинакеру, а меньшее — более полному. Для спинакеров швертботов класса «М» можно рекомендовать радиус верхней сферы 2,55 м; для класса «Летучий Голландец» 2,0—2,05 м.
Наиболее целесообразно располагать полотнища сферического спинакера радиально. При таком покрое отпадает необходимость в центральном шве и обеспечивается равномерное распределение нагрузки по всему полотнищу.
Особое внимание при проектировании спинакера следует обратить на выполнение фалового угла, боковых шкаторин и нижнего полотнища. Фаловый угол должен закраиваться так, чтобы боковые шкаторины сложенного спинакера были перпендикулярны центральной линии (т. е. фаловый угол должен быть равен 180°).
Боковые шкаторины должны иметь S-образную форму, т. е. иметь положительный серп в верхней трети и отрицательный — в нижней. В зависимости от площади спинакера размеры положительного и отрицательного серпов различны, однако в любом случае они должны удовлетворять двум основным требованиям:
- боковые шкаторины должны быть плавными кривыми;
- боковые шкаторины не должны, пересекать диаметральное сечение сферы, соответствующей выбранному радиусу (в противном случае боковые шкаторины будут заваливаться вовнутрь).
Определение величины закладок полотнищ верхней сферы производится геометрическим способом, путем развертки на плоскость сферы соответствующего радиуса. Поскольку все полотнища верхней сферы одинаковы, необходимо раскраивать только одно полотнище, по которому затем вырезаются и все остальные. Таким образом, процесс раскроя спинакера значительно упрощается.
Выбирая материал, необходимо учитывать, что ткань спинакера для бакштага должна быть более плотной, чем для фордевинда. В любом случае материал должен быть легким и достаточно прочным, чтобы парус не деформировался под действием ветра. Если ткань сильно тянется, бесполезно придавать спинакеру какую-либо форму; такой спинакер целесообразно использовать только на курсе фордевинд, так как на бакштаге его рабочая форма уже не будет соответствовать проектной. Поэтому не следует шить спинакеры для бакштага из перкалей и некоторых сортов капрона.
Важно правильно определить площадь спинакера. Естественно, что спинакер должен обладать максимальными размерами, так как его сила тяги зависит от величины проекции паруса на плоскость, нормальную к направлению ветра. Однако не следует забывать о весе ткани, поскольку размеры спинакера и вес его взаимосвязаны. Так например, для яхт класса «R-5,5» площадь спинакеров из материала весом 40—50 г/м2 не должна превышать 70—60 м2. Конечно, площадь спинакера определяется и силой ветра, для которого он проектируется. Естественно, например, что спинакер для сильного ветра должен иметь меньшую площадь.
На первый взгляд кажется, что с увеличением размеров спинакера всегда будет возрастать и сила тяги. Однако это справедливо только в тех случаях, когда рост площади спинакера компенсируется применением облегченных тканей.
Имеются хорошие возможности улучшать аэродинамические характеристики уже готовых спинакеров.
Если в круглой пластине, расположенной нормально к направлению воздушного потока, сделать центральное отверстие, коэффициент ее лобового сопротивления возрастет. Такой же эффект дает и центральное отверстие в спинакере. Увеличение тяги спинакера происходит потому, что воздух выходит через отверстие с большой скоростью и увеличивает зону пониженного давления с внешней стороны паруса, обеспечивая больший перепад давления. Дополнительное увеличение силы тяги спинакера происходит также за счет уменьшения встречного потока и упорядочения течения воздуха на его внутренней стороне (см. рис. 1, г). Центральное отверстие значительно повышает устойчивость спинакера; он становится менее «капризным» в управлении.
В результате расчетов, подтвержденных практикой, установлено, что для спинакера яхты класса «R-5,5» площадью 60—70 м2 оптимальным является центральное отверстие диаметром 1,0—1,2 м. Следует заметить, что делать отверстие целесообразно только в спинакере для фордевинда; на курсе бакштаг эффект отверстия будет незначительным.
Для увеличения тяги вместо отверстия можно также использовать карманы (рис. 4), располагаемые в средней части спинакера в 2—3 ряда, как это было сделано московским яхтсменом В. Летуновым. Помимо рассмотренного выше эффекта, применение карманов имеет еще одно важное достоинство: при выходе воздуха из кармана на клапане создается подъемная сила, вертикальная составляющая которой поддерживает спинакер, поэтому при слабом ветре такой спинакер работает более устойчиво. Это особенно важно для спинакеров, пошитых из тяжелых тканей.
В заключение следует заметить, что правила классификации и обмера яхт свободных классов оставляют большие возможности для творческих поисков новых, более рациональных решений по проектированию и пошивке спинакеров. В настоящее время эти возможности используются явно недостаточно.