Еще труднее удержать яхту от резкого приведения к ветру — брочинга — под спинакером: при усилении ветра и увеличении крена более 20—30° спинакер приходится убирать, хотя нагрузки на рангоут и парусную ткань еще далеки от предельных. При брочинге спинакер теряет ветер, такелаж и рангоут подвергаются сильным рывкам.
Почему возникают эти явления у хорошо отцентрованной для курса бейдевинд яхты, да еще при поставленном спинакере, смещающем центр парусности вперед? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сперва, как меняются приводящие яхту моменты на курсе бейдевинд с усилением ветра и увеличением крена, а затем сравним их с моментами, приводящими яхту на более полных курсах, но при том же крене.
Считается, что при умеренном ветре — 2—3 балла — на курсе крутой бейдевинд и при небольшом крене ~5° яхта должна приводиться к ветру. Небольшой приводящий момент компенсируется незначительной перекладкой руля в подветренную сторону. При этом перо руля эффективно включается в создание сил сопротивления дрейфу. При усилении ветра и увеличении угла крена появляется дополнительный приводящий момент от смещения точки приложения силы тяги в сторону подветренного борта — плечо пары сил тяги Т и сопротивления R возрастают.
Величина приводящего момента при усилении ветра и крене яхты около 20° на курсе бейдевинд Мб = (0,15÷0,17) Нп·Тб легко компенсируется небольшой перекладкой руля на уваливание яхты. Расчеты, выполненные с учетом роста скорости яхты и скорости обтекания руля с усилением ветра, показывают необходимость перекладки руля всего на 3—5° при крене 20°. На курсе галфвинд шкоты потравливаются и тяга Тr — составляющая полного давления ветра, направленная вдоль ДП яхты, резко возрастает и смещается в сторону подветренного борта. Если при этом ветер усилился и крен яхты составил около 20°, величина тяги увеличится в 4,5÷5,5 раз, а приводящий момент станет равным Мr = (0,85÷1,15) Нп·Тб, т. е. увеличится по сравнению с бейдевиндом в 5—7 раз! Если нести спинакер при крене около 30—35°, то приводящий момент возрастет еще в два раза, т. е. увеличится в 10—14 раз по сравнению с крутым бейдевиндом.
Какими же углами перекладки руля можно компенсировать такой большой рост по сравнению с курсом бейдевинд приводящих яхту моментов? Поперечная сила С на руле пропорциональна квадрату скорости обтекающей его воды, углу перекладки и площади пера руля. Расчеты, выполненные для яхты однотонного класса, показывают, что на курсе галфвинд требуется перекладывать руль на 10—12°, а при постановке спинакера — до 18—22° (для скорости в бейдевинд 4 уз, в галфвинд — 6 уз, под спинакером — 6,8 уз). Однако если руль переложить на угол 15—18°, произойдет срыв потока о пера руля и его эффективность резко снизится. Поперечная сила С, поворачивающая яхту, при дальнейшей перекладке руля уменьшится, а сопротивление его увеличится. Когда рулевой пытается вернуть яхту на курс, положив руль на борт, это приводит только к появлению буруна за кормой — яхта продолжает приводиться к ветру. Изменение первоначальной центровки яхты малоэффективно, даже если мачту сдвинуть далеко в нос. Приводящий момент удается уменьшить за счет этого всего на 7—15 %.
Для сведения к минимуму потерь скорости от сопротивления руля необходимо принять все возможные меры для уменьшения крена яхты. При несении спинакера его шкот должен быть предельно потравлен, а брас выбран. Если этой меры недостаточно и крен велик, лучше немного увалиться или поставить более плоский спанкер.
Следует помнить, что малейшее приведение яхты к ветру вызывает дополнительный рост крена за счет усиления вымпельного ветра. Работа рулевого при этом должна быть очень внимательной и энергичной, особенно при порывистом ветре. Необходимо в самый начальный момент ликвидировать рулем приведение яхты и возрастание крена, иначе придется мириться с большой потерей скорости хода из-за предельных перекладок руля и опасного срыва яхты в брочинг.
Еще одно явление может пагубно сказаться на управляемости яхты при штормовом попутном волнении. Орбитальные скорости воды в волне достигают 1,5—2 уз, а разрушающийся гребень крутой волны создает поверхностное течение, направленное вниз по склону со скоростью, превышающей скорость распространения фронта волны. Именно в этих условиях из-за резкого снижения скорости обтекания руля у рулевого возникает иногда ощущение отсутствия руля (исчезает усилие на румпеле), а потерявшая управляемость яхта резко приводится к ветру и становится лагом к волне.
Главную роль в обеспечении управляемости играет эффективное, имеющее достаточную площадь, перо руля. При минимальных углах перекладки (3—5° на лавировке) перо руля работает с наивысшим гидродинамическим качеством, с точки зрения создания сил сопротивления дрейфу и минимального сопротивления. Поскольку его удлинение выше, чем у плавника киля, то и качество тоже выше, т. е. на единицу площади пера руля создается большая сила сопротивления дрейфу. Таким образом, из условий ходкости целесообразно уменьшать площадь плавника киля, увеличивая площадь пера руля и плечо lp. Как показывает зарубежный опыт, на призовых гоночных яхтах открытого моря площадь руля вместе с плавником-скегом перед ним достигает 70 % площади плавника киля.
Руль увеличенной площади позволяет более надежно выполнять маневрирование в штормовых условиях при взятых рифах, когда скорость яхты снижена, а поворот оверштаг затруднен. Увеличение площади руля на уже построенных яхтах также позволяет снизить общее сопротивление воды движению яхты за счет уменьшения углов перекладки руля на всех курсах. Правда, это удается получить только при внимательной и точной работе рулевого, не допускающей значительного выбега яхты на ветер, после которого для уваливания требуется перекладывать руль на большой угол.
Перо руля должно bметь достаточное заглубленbе, чтобы уменьшить влияние поверхностной аэрации. Прочность его следует рассчитывать на боковой удар волны с разрушающимся гребнем со скоростью в потоке до 20 уз, т. е. на 20—25 % большей, чем скорость распространения фронта ветровой волны. Соответствующее расчетное удельное давление составляет 5 т/м2 для яхт открытого моря.
Приводящие к ветру моменты пропорциональны высоте парусности и тяге парусов, а значит полной высоте Нп и обмерной площади парусности Sп. Момент, создаваемый рулевым комплексом и сдерживающий яхту от приведения к ветру, пропорционален площади пера руля Sp и плечу поперечной силы С на руле относительно ЦТ яхты — lp. Плечо руля может быть измерено как расстояние между ЦТ площадей плавника киля и рулевого комплекса. При оценке управляемости яхт это позволяет использовать в качестве критерия коэффициент эффективности рулевого комплекса
Сравнение основных обмерных характеристик, коэффициентов Kэрк яхт с различным гоночным баллом и оценка их управляемости, полученная на основе экспертных оценок капитанов яхт по пятибалльной шкале, приведено в таблице. Оценка производилась по необходимому углу перекладки руля при ветре около 10 м/с: на курсе бейдевинд αp= 8 — 42° — оценка 2 балла; на курсе галфвинд—бакштаг αp=10—15°—3 балла; на курсе галфвинд со спинакером αp≈15°—4 балла.
Зная коэффициент Kэрк для яхты, имеющей близкие характеристики (размерения, обводы, остойчивость, тип парусного вооружения) и удовлетворительную управляемость, можно определить необходимую площадь пера руля для проектируемой или модернизируемой яхты:
Для упрощения расчетов и быстрой прикидки площади руля крейсерско-гоночных яхт построены графики изменения Кэрк в зависимости от величины гоночного балла яхты. Кривые графика дают значение Кэрк, обеспечивающее одинаковую перекладку руля для яхт разных размерений при одной и той же скорости ветра. Имеется в виду, что конструкция руля этих яхт идентична, удлинение λ=1,5—2,5. Для достижения равной управляемости Кэрк для малых яхт должен быть вдвое выше, чем для больших.
Семейство кривых Кэрк предусматривает различные условия гонок — от тяжелых штормовых океанских (верхняя кривая) до гонок в морях типа Балтийского и Черного. На графике проставлены значения Кэрк для яхт, указанных в таблице. При расчете кривой, обеспечивающей удовлетворительную управляемость, за прототипы взяты яхты «Драко» и «Картер-30». Кривые, рассчитанные по данным этих яхт, практически совпали. Верхняя кривая получена на основе данных яхты «Флайер» (см. «КЯ» №75).
Кривая для «Тауруса» и «Конрада-54» может рассматриваться в качестве нижнего предела Кэрк для судов, построенных по правилам постройки и обмера спортивных яхт, принятых в СССР. График показывает заниженную (минимум в два раза!) площадь пера руля головной яхты «Марина» постройки Ленинградской экспериментальной верфи спортивного судостроения. Это явилось одной из причин ее аварии при лавировке с уменьшенной парусностью.
Для выбора конструктивного типа рулевого комплекса для гоночных яхт, удлинения и профиля пера руля за критерий должны приниматься условия его работы на малых углах перекладки — до 4—5° (см. «КЯ» №25). Именно для этих условий, которые должны быть обеспечены во время всей гонки (за исключением случаев огибания знаков и поворотов), необходимо гарантировать максимальное гидродинамическое качество профиля и, что еще важнее,— минимальное сопротивление. Для крупных яхт предпочтителен руль со скегом-рудерпостом, создающим на малых углах перекладки эффективный несимметричный профиль. Увеличение длины скега в верхней части и уменьшение хорды руля позволяют снизить разрежение и подсос воздуха с поверхности воды на больших углах перекладки и при крене. Важно также, чтобы баллер руля имел дополнительные опоры; это позволяет сделать руль более легким и надежным, чем балансирный. Наличие скега перед рулем уменьшает вращающий момент на баллере и усилие на румпеле.
Целесообразен небольшой (12—20°) наклон передней кромки скега и руля, что облегчает соскальзывание с них плавающих водорослей, тросов и т. п. Относительная толщина профиля комплекса должна быть в пределах 8—12 %.
В заключение сообщим об опыте модернизации рулевого комплекса яхты «Аврора» типа «Конрад-54», у которого площадь руля и скега была увеличена на 65 %. Величина Кэрк доведена почти до 5, относительное удлинение руля К=2,0. Ходовые качества яхты в свежий ветер значительно улучшились, особенно на полных курсах под спанкером и спинакером .Ширина скега в нижней части составляет 40 %, а в средней — 70 % от хорды руля. Эти величины можно уменьшить до 30 и 50 % соответственно. Отличные результаты получены и при увеличении площади рулей на яхтах «Таурус» и однотонниках ТЭВСС.