Средства объективной оценки эффективности плавания на ветер

При обучении рулевых-гонщиков наибольшую сложность представляет оценка настройки парусов яхты на заданном курсе, а при лавировке — оптимальности выбора курса яхты относительно ветра. Ныне эти задачи решаются субъективно тренером или прикидкой по конкуренту. Оба эти способа не свободны от ошибок и оборачиваются тем, что освоение новой яхты и отработка ее настройки длятся годами.

Наиболее распространенными средствами для контроля аэродинамической настройки парусов являются различного рода «колдунчики», легкие ленточки, пришитые одним концом к парусу (сборник №90).

Зарубежные фирмы выпускают различные приставки к лагам — «индикаторы ускорения», показывающие приращения скорости яхты. Однако показания этих приборов подвержены случайным отклонениям, которые могут быть ошибочно истолкованы рулевым как результаты настройки. Дело в том, что приращение скорости парусного судна находится в сложной зависимости от силы ветра, который в свою очередь не бывает постоянным. Как показывают исследования, приземный ветровой поток хаотичен, переменчив как по силе (до±30—50%), так и по направлению (±10—30°), причем по длительности эти изменения соизмеримы со временем перенастройки парусов на ходу. В результате приращения скорости за счет настройки будут маскироваться полученными от изменений ветра. Этот недостаток можно устранить только в том случае, если эффективность настройки парусного вооружения воспринимать как отношение скорости судна к осредненной скорости ветра.

В связи с ростом интереса к судовым ветроэнергетическим комплексам в последние годы стали появляться сообщения о разработках новых инструментальных средств объективной оценки эффективности плавания под парусами. Еще в 1976 г. в ЛКИ было предложено и опробовано простейшее сопряжение шкал указателя скорости V — лага и указателя вымпельной скорости ветра W — анемометра. Между шкалами устанавливаются вкладыши с семейством контрастных соединительных линий (рис. 1), которые строятся опытным путем для каждого из типичных курсов (крутой бейдевинд, полный бейдевинд, бакштаг). Принцип оценки прост: если при некоторой настройке парусов стрелка V стоит ниже стрелки W, то оптимальная настройка не найдена и дополнительной регулировкой шкотов ее можно улучшить так, чтобы стрелка V поднялась до стрелки W или выше ее (что возможно при недостаточной изученности динамики яхты). Очевидно, при умеренных колебаниях силы ветра стрелки обоих приборов будут смещаться в одну и ту же сторону, сохраняя одинаковые отсчеты относительно соединительных линий. Задача рулевого — добиваться максимального превышения стрелки V над W, а знак и величина рассогласования стрелок могут служить объективным показателем эффективности настройки.



Достоинством такой системы является простота и допустимость ее применения по любым международным правилам соревнований. Дело в том, что, например, в правилах IYRU существует пункт, запрещающий электрически объединять схемы лага и анемометра. Когда же этим пунктом можно пренебречь, например, на тренировках, то, подключив логометр — двухрамочный прибор, устанавливаемый вместо репитеров лага и непосредственно измеряющий отношение двух токов, по отклонениям его стрелки получают количественную оценку эффективности работы паруса. Названные устройства позволяют оценивать эффективность работы парусов только на выбранном неизменном курсе. При лавировке встает вторая не менее важная задача: выбрать оптимальный курс, которым достигается скорейшее в данных ветровых условиях продвижение к наветренной цели.

Для этого нужно оценивать отношение проекции скорости судна на направление на цель V·cos(β—α) к осредненной скорости ветра (α — угол между направлением движения яхты и ветром, β — угол между направлением на цель и ветром; см. рис. 2). Более того, учитывая наблюдаемое из практики замедление роста скорости при усилении ветра, рационально ввести логарифмическую нелинейность при W. Тогда безразмерный коэффициент эффективности e будет представляться следующей зависимостью:


Конкретная величина нелинейности (основание логарифма) должна подбираться опытным путем в процессе эксплуатации судна. То же относится и к подбору постоянной времени осредняющего фильтра. На решении аналоговыми средствами приведенного выше уравнения основаны приборы, о разработке которых сообщили ЛКИ и МЭИ.



Хоулметры (от англ. houling — плавание на ветер) ЛКИ, являясь завершающей частью электрорадионавигационного комплекса приборов ЭРАНАВК, разработанного по заданию Ленингр. эксп. судоверфи ВЦСПС, не имеют собственных датчиков и рассчитаны на подключение к указателям скорости и направления. вымпельного ветра анеморумбометра и к указателю лага. Ввод угла цели β производится вручную, при помощи потенциометра, в соответствии с данными прокладки по карте. Значение коэффициента эффективности e индицируется стрелочным логометром магнитоэлектрической системы. Структурная схема такого хоулметра приведена на рис. 3. Уровень сложности схемы примерно таков же, как у электронно-импульсного лага на микросхемах.

Практические испытания макета хоулметра на яхте класса «Таурус» показали, что при его помощи рулевые-новички за несколько часов осваивали технику настройки яхты. К сожалению, прибор не был опробован в гонках.

Электронный оптимизатор лавировки ЭОЛ-1 был впервые испытан в гонках Онежской регаты в 1979 г. Он дал существенные преимущества на лавировке яхте «Пинта». В тех же гонках в 1981 г. он помог яхте «Борей» выиграть эту регату с большим отрывом. Назначение прибора ЭОЛ-1 — помочь рулевому удерживать яхту на курсе, дающем максимум проекции скорости яхты на направление истинного ветра ИВ. Комплекс аппаратуры ЭОЛ-1 включает вертушечные датчики продольных и поперечных составляющих скоростей вымпельного ветра и хода яхты относительно ДП яхты, вычислитель, задатчик курса и звуковой индикатор отклонения.

Структурная схема оптимизатора ЭОЛ-1 показана на рис. 4. По сигналам датчиков вычислитель рассчитывает модуль и направление ИВ относительно ДП яхты и далее — величину проекции относительной скорости яхты на направление ИВ. Задатчик позволяет выставить желаемую величину угла относительно вымпельного ВВ или истинного ИВ ветра, а вычислитель — определить величину и знак текущего отклонения действительного курса от заданного. Прибор выгодно отличается тем, что благодаря звуковой индикации рулевой оценивает качество и эффективность своих действий, обеспечивающих удержание яхты на избранном курсе, на слух, не отвлекаясь наблюдением стрелок индикаторов. ЭОЛ-1 сравнительно сложный прибор, выполненный на современной микроэлектронной базе.

При использовании подобных приборов отыскание максимума производится методом последовательных приближений (изменение курса — установка углов атаки парусов — коррекция курса — подстройка парусов — ... и т.д.), что происходит достаточно медленно. По мере совершенствования и распространения таких приборов для обеспечения учебно-тренерских работ в них, вероятно, будут введены каналы датчиков углов атаки парусов и ряд других чувствительных элементов. Это позволит ускорить процессы настройки за счет использования известных из теории автоматического регулирования методов ускоренного отыскания экстремумов, что важно в тех перспективных случаях, когда измерители эффективности будут использоваться в автоматических системах управления ветроэнергетическими пропульсивными комплексами транспортных судов.