Наш первый катамаран высокими ходовыми качествами не отличался, плохо шел в лавировку, но конструктивное решение нескольких узлов и основная схема всей конструкции вполне себя оправдали и были сохранены при постройке следующих судов. Для упрощения конструкции мы отказались от установки швертов и выбрали V-образную форму корпусов (рис. 1) с одинаковым по всей длине наклоном бортов (подобно английскому катамарану «Bell Cat»). Испытания катамарана показали, что выбранная форма корпусов при переходном режиме способствует интенсивному волнообразованию, но даже такие обводы при ветре силой 4—5 баллов позволяют достичь глиссирования или, лучше сказать, скольжения, характеризующегося заметным повышением скорости и устойчивости на курсе.
Весной 1961 г. мы спроектировали и построили второй опытный катамаран (рис. 2) примерно такой же величины. Сравнение основных элементов трех катамаранов нашей конструкции приведено в табл. 1.
При проектировании было решено придать корпусам обводы, наиболее способствующие глиссированию, — малокилеватое днище с постепенным уменьшением килеватости в сторону кормы и увеличенную ширину транца. Для обеспечения достаточного бокового сопротивления на внутренних бортах корпусов были установлены деревянные шверты обычной конструкции.
Особенностью конструкции катамарана была продольная пустотелая клееная балка, установленная в диаметральной плоскости. На носовом конце этой балки крепился форштаг, на кормовом — руль и нижние блоки гика-шкотов.
Летом 1961 г. на этом катамаране был совершен поход по маршруту: Рига — остров Рухну — Пярну — Рига. Выяснилось, что выбранные нами обводы корпусов имеют некоторые преимущества только при сильном ветре и полных курсах, при скорости выше 10—11 узлов. При меньшей скорости, особенно на волнении, за транцами корпусов нарушалось плавное обтекание и создавалось большое сопротивление формы (сказывалось чрезмерное смещение центра тяжести в корму). Вторым недостатком явилась большая смоченная поверхность — около 8,7 м2.
При эксплуатации выяснилось, что одной из привлекательных сторон катамарана является возможность ходить на одном корпусе, когда другой выходит из воды и поднимается на высоту 1—2 м над поверхностью воды. Однако при крене перо руля, установленного в диаметральной плоскости, выходило из воды, катамаран резко приводился и садился обоими корпусами на воду.
Опыт постройки и эксплуатации первых катамаранов послужил хорошей проверкой наших теоретических соображений и методов расчета и дал возможность определить пути дальнейшего повышения ходовых качеств двухкорпусного судна.
Зимой 1961—1962 гг. мы начали проектировать новый прогулочный катамаран для береговой зоны Рижского залива и поставили перед собой задачу построить его таким, чтобы он:
- на любом курсе и при ветре любой силы шел быстрее обычных яхт, включая швертбот «Летучий Голландец»;
- мог ходить с полной парусностью при ветре 5—6 баллов (больше швертбота класса М);
- имел достаточный запас прочности в самых тяжелых условиях эксплуатации в море;
- хорошо и легко управлялся;
- имел максимально возможные удобства для экипажа;
- мог устойчиво ходить на одном корпусе.
Ниже приводятся основные теоретические соображения, положенные в основу проектирования.
Одним из самых важных показателей, от которых зависит быстроходность катамарана, является его вес. Наш опыт показывает, что лишний вес сказывается на скорости катамарана больше, чем на скорости яхт любого другого типа. Надо стремиться обеспечить вес минимальным, насколько это позволяет прочность конструкции.
Для морских катамаранов важно разместить груз (экипаж, снаряжение) по возможности ближе к миделю, чтобы уменьшить период собственных колебаний. Резонанс с колебанием поверхности воды при большой волне существенно влияет на скорость хода и на напряжения в конструкции. Кроме того, на остром по отношению к волне курсе, когда катамаран падает во впадину между волнами, один корпус всегда касается воды первым, а другой по инерции продолжает падение. При этом создается большой крутящий момент в соединительном мостике, и тяжелые оконечности корпусов способствуют увеличению этого момента. Особенно зто необходимо учитывать при плоских, глиссирующих обводах днища.
В отличие от моторного судна с постоянной скоростью, парусный катамаран должен иметь обводы, обеспечивающие хорошие ходовые качества в большом диапазоне скоростей. Кроме того, при выборе обводов корпусов необходимо учитывать большой дифферентующий на нос момент, вследствие которого центр величины при возрастании силы тяги перемещается вперед.
Опыт показывает, что чем меньше катамаран и выше его относительная скорость (больше значения числа Фруда), тем выгоднее обводы, способствующие глиссированию.
Корпус катамарана с водоизмещающими обводами при большой силе тяги дифферентуется на нос. Вследствие выпуклости носовых поверхностей днища гидродинамическое давление концентрируется на небольшом участке и вызывает большое брызго- и волнообразование, но не создает подъемную силу. Чтобы избежать этого, носовые ватерлинии приходится делать прямыми и очень острыми, что чрезмерно удлиняет носовую оконечность корпусов, приводит к увеличению веса и смоченной поверхности катамарана. При хождении на одном корпусе, что является важным способом увеличения скорости при сильном ветре, подветренный корпус водоизмещающего типа глубоко вжимается в воду и испытывает большое сопротивление.
Проектируя корпус глиссирующего типа, не следует механически заимствовать форму корпуса моторных лодок, т. е. острые носовые ватерлинии и широкую плоскую корму. Сила поддержания у катамарана приложена ближе к миделю, чем у моторной лодки. По нашему мнению, кормовые оконечности корпусов также следует делать острыми. Это, во-первых, позволяет перемещать назад центр тяжести, не вызывая на малых скоростях нарушения плавности обтекания; во-вторых, уменьшается смоченная поверхность без ущерба для способности глиссировать.
При проектировании катамарана важно знать, какие усилия возникают в его конструкциях от действия внешних нагрузок. Построить легкий катамаран удается только при том условии, чтобы при данных внешних нагрузках усилия в конструктивных элементах получались минимальными.
Давление ветра на паруса катамарана передается на мачту, вызывая в ней силы сжатия, а в вантах и штагах — силы растяжения. Величина этих сил обратно пропорциональна углу между мачтой и вантами, т. е. чем больше этот угол, тем меньше усилия. При выходе одного корпуса из воды сила сжатия может достигнуть довольно большой величины: например, в нижней части мачты нашего третьего катамарана максимальная сила сжатия составляет 1450 кг.
Давлению ветра на паруса противодействует равная по величине, но противоположная по направлению сила давления воды на шверты и подводную часть корпусов. Так как катамаран обладает большей остойчивостью, чем швертбот, это давление достигает значительной величины и заставляет проектировать конструкцию швертов и швертовых колодцев более прочной.
Мачта, установленная в ДП катамарана, передает сжимающую силу на передний край мостика. При проектировании мостика необходимо выбрать конструкцию, которая могла бы воспринимать эту силу сжатия мачты и переносить ее на корпуса.
Кроме этих нагрузок, которые имеют место у всех типов парусных судов, имеется специфический вид нагрузки, свойственной только катамаранам. Выше уже было сказано, что при хождении против большой волны на катамаран воздействуют большие динамические нагрузки, вызывающие появление крутящего момента в мостике. Чтобы лучше понять суть этого вида нагрузки, мысленно поставим катамаран на две опоры, причем одну опору расположим под носовой частью правого корпуса, а другую — под кормовой частью левого корпуса (рис. 3). Свободные концы корпусов под влиянием собственного веса будут опускаться, создавая крутящий момент в мостике, который скрепляет корпуса и противодействует вращению одного корпуса относительно другого. Нетрудно понять, что при увеличении веса катамарана и удлинения корпусов увеличится и крутящий момент.
В зависимости от способа сопротивления нагрузкам этого вида катамараны могут быть разделены на две группы. К первой группе, наиболее распространенной, относятся те катамараны, у которых корпуса и мостик жестко скреплены вместе и составляют одно целое. Стоячий такелаж их принципиально не отличается от такелажа обычных яхт, и крутящий момент полностью воспринимается конструкцией мостика, что заставляет делать его очень прочным, сложным и сравнительно тяжелым.
У катамаранов второй группы корпуса, мостик и стоячий такелаж представляют собой одну целую пространственную конструкцию. Крутящий момент в значительной степени воспринимается осевыми усилиями в отдельных элементах такелажа, что уменьшает напряжения в мостике, а в связи с этим его можно делать гораздо меньших размеров и проще. Жесткость мостика выгоднее даже уменьшить, чтобы при деформациях такелажа в нем не возникали излишние напряжения.
Корпуса третьего катамарана (рис. 4, 5) — водоизмещающого типа. Теоретический чертеж корпусов (табл. 2) разработан с учетом свойств фанеры, используемой для обшивки. Днище и борта представляют собой цилиндрические поверхности без двойной погиби.
Набор корпусов (рис. 6) состоит из шпангоутов, установленных через 500 мм, и продольных реек. Форштевень склеен из четырех реек 10X40. На миделе, над швертовым колодцем, в каждом корпусе устроен кокпит длиной 1,2 м, пол которого поднят на 130 мм над уровнем воды. Щель колодца одновременно служит шпигатом кокпита. Конструкция швертового колодца имеет большую прочность и жесткость и вполне способна воспринимать максимальные усилия от шверта. Секторные шверты площадью 0,43 м2 сделаны из дуралюмина толщиной 10 мм и весят по 16 кг каждый.
Впереди кокпитов сделаны герметически закрываемые люки 500X400 для погрузки багажа, внутреннего осмотра и откачки воды. Сзади кокпитов имеются небольшие отверстия (тоже герметически закрываемые) для сквозного проветривания.
Чтобы облегчить постройку, зимнее хранение, ремонт и возможную транспортировку, наш третий катамаран, как и предыдущие, сделан разборным. Съемный мостик соединяется с каждым из корпусов четырьмя болтами.
Несущими элементами мостика (рис. 7) являются две поперечные балки с сечениями 78X100 и 63Х100 мм. Чтобы уменьшить вес, балки сделаны коробчатыми из двух деревянных поясов, к которым по бокам приклеены стенки из фанеры. Концы балок соединяют коробчатые планки сидений, склеенные таким же образом. Набор мостика, состоящий из пяти продольных деревянных ребер и двух поперечных реек, с обеих сторон обшит фанерой.
Обычно для восприятия сосредоточенной нагрузки от мачты переднюю балку мостика делают с увеличенными размерами поперечного сечения. Мы выбрали другую конструктивную схему — вместо усиленной балки поставили простейшую треугольную ферму, для которой передняя балка мостика играет роль нижнего растянутого пояса. Верхним поясом служат два раскоса, установленных в специальных врезах мачты и передней балки мостика. Вся сила сжатия от мачты передается по раскосам прямо на корпуса.
Для разгрузки балок мостика от крутящего момента использована схема раскрепления мачты стоячим такелажем по рис. 8. При загружении катамарана по данной схеме крутящий момент воспринимается растягивающими усилиями в штагах 2 и 3. Штаги 1 и 4 не работают и нагрузку будут воспринимать только при противоположном загружении. Мостик в работе не участвует.
Недостатком такой конструкции явдяется то, что бакштаги можно отпускать только при небольшом ветре и малом волнении; кроме того, появляется дополнительное сжатие мачты от усилий в штагах.
Кроме штагов и бакштагов, мачта в поперечном направлении раскреплена системой вант. Пустотелая мачта длиной 10,05 м склеена из двух частей и имеет каплеобразную форму поперечного сечения с размерами 100Х Х70 мм в самом толстом месте.
Чтобы уменьшить пузо грота при острых курсах, мачта поставлена гибкая, поворачивающаяся относительно неподвижной точки крепления штагов. Прогиб мачты можно регулировать с помощью натяжения контрштага и нижних бакштагов. Краспицы имеют шарнирное крепление и при изгибе мачты поворачиваются назад.
Для прохождения под мостами предусмотрена возможность заваливания мачты вперед, до необходимой высоты, с помощью гика-шкотов. Гик при этом служит рычагом и при опускании мачты поднимается вверх. Шпор мачты имеет шарнирное крепление с мостиком (рис. 9). При слабом ветре можно опускать мачту даже с неубранными парусами, «на ходу».
Гика-шкот, пропускаемый через систему верхних и нижних блоков, образует тали, увеличивающие силу притяжения гика в 5,5 раза. Нижний двухшкив-ный блок имеет возможность свободно передвигаться по тросу, концы которого прикреплены к кормовым оконечностям корпусов. Регулируя длину этого троса, можно увеличить или уменьшить угол установки грота при постоянных силе притяжения гика и давлении ветра на парус.
Стаксель пропущен между основными и верхними вантами и имеет минимальный угол установки 11°. Чтобы облегчить работу со стакселем при сильных ветрах, стаксель-шкоты проводятся в два лопаря (рис. 10).
Стаксель-штаг нижним концом крепится к планке, соединяющей носовые части корпусов. Чтобы предотвратить возникновение в балке изгибающего момента, проведен трос в виде одной ромбованты с краспицей.
Катамаран имеет два руля, колодки которых навешены на кормовые оконечности корпусов и как бы составляют их продолжение. Чтобы при большой скорости легкие дуралюминовые рулевые перья не отклонялись назад, колодки имеют винты, с помощью которых перья стопорятся в вертикальном положении. Рули имеют тросовый привод и работают вместе при вращении одного из румпелей, закрепленных на осях на мостике (рис. 11). На осях посажены велосипедные звездочки, над которыми установлены свободно поворачивающиеся шкивы диаметром 60 мм.
Трос, идущий от шкивов, прикрепленных к колодкам рулей, в районе звездочек имеет два участка из велосипедной цепи. Для того чтобы при поворотах перо наветренного руля поворачивалось на меньший угол, в участке троса между маленькими шкивами установлена пружина, внутри которой трос имеет слабину и длиннее ее на 3—5 мм. При повороте в сильный ветер пружина вытягивается на эту величину, что составляет разницу поворота рулей при-мерно 20°. Для регулирования натяжения и установления точной параллельности между рулями в прямом положении в штуртрос включен талреп.
Эксплуатация катамарана
Трехлетний опыт эксплуатации позволяет сделать некоторые выводы относительно техники управления катамараном на разных курсах, при разной силе ветра и волнении.
Отметим, что парус катамарана подвергается значительно большим нагрузкам и сильно вытягивается; при этом уменьшается «пузатость» грота в нижней части, а «пузатость» стакселя увеличивается, и через некоторое время приходится их перешивать. В общем балансе сопротивления катамарана лобовое сопротивление парусов составляет большую долю, чем у обычных яхт, и аэродинамические качества парусного вооружения, особенно при совместной работе грота и стакселя, очень сильно влияют на скорость хода на острых курсах.
Известно, что сила тяги парусов Т при прочих равных обстоятельствах пропорциональна квадрату скорости ветра. Но между сопротивлением и скоростью хода катамарана существует зависимость, гораздо более сложная; при этом у катамаранов с разными обводами эти зависимости разные. На рис. 12 изображен график этих зависимостей для водоизмещающего и глиссирующего катамаранов. Видно, что при небольших скоростях (до 4—5 узлов) сопротивление растет медленнее силы тяги ветра такой же скорости. В этом диапазоне главную долю всего сопротивления составляет сила трения, которая пропорциональна скорости примерно в степени 1,85. Чтобы катамаран шел быстрее обычных яхт и при слабых ветрах, он должен обладать меньшей относительной смоченной поверхностью, что вполне достижимо.
Ввиду быстрого возрастания волнового сопротивления, при скорости 5—9 узлов оно составляет уже главную долю в общем балансе сопротивления и вызывает появление «невыгодной скорости», особенно резко выраженной у глиссирующих катамаранов. При еще большей скорости в переходном режиме волновое сопротивление падает и да-, лее остается приблизительно постоянным. Рост общего сопротивления объясняется ростом трения и брызгообразования.
Управляя катамараном, следует знать и учитывать характер роста сопротивления при выборе наилучшего курса. Теоретически доказано и подтверждено практикой, что на курсе фордевинд на катамаране (как и на буере) лучше идти в лави-ровку, покрывая большее расстояние с большей скоростью. Это особенно выгодно, если на курсе удается достичь глиссирования. Но если на курсе бакштаг наступает так называемая «невыгодная скорость», может оказаться выгоднее идти прямым курсом фордевинд. Сказанное относится также к выбору крутизны курса при лавировке против ветра. При среднем и сильном ветре может оказаться выгоднее идти немного полнее, но достичь режима глиссирования.
Вторым важным фактором, влияющим на выбор курса при лавировке, является волнение. Нельзя ходить на курсе, при котором период собственного колебания катамарана совпадает с периодом волнения. При совпадении периодов даже двух колебаний носовые оконечности корпусов заходят под воду, образуя фонтаны брызг, и катамаран резко уменьшает ход.
Для откренивания можно использовать трапеции, но следует учитывать разницу между значением и способами применения трапеций на швертботах и на катамаранах. Человек, висящий далеко за бортом, создает дополнительный момент остойчивости (по сравнению с человеком, сидящим на наветренном борту), что в общем моменте остойчивости швертбота составляет значительную долю. Для катамарана, обладающего значительно большей остойчивостью, этот дополнительный момент играет меньшую роль, но все-таки на небольших спортивных катамаранах предусмотреть трапецию рекомендуется.
При сильном ветре и волнении хождение на катамаране отличается резкими изменениями скорости, прыжками с волны и острыми поворотами, создающими большие ускорения. Это требует от члена экипажа, висящего за бортом, большой ловкости и заставляет рулевого быть особенно внимательным. У нас был случай, когда малоопытный откренивающий, висевший у заднего угла мостика на трапеции, при резком уменьшении скорости перелетел через мостик и упал в воду между корпусами.
Важным способом увеличения скорости является хождение на одном корпусе. После выхода одного корпуса из воды смоченная поверхность (и соответственно сопротивление трения) уменьшается почти вдвое, а волновое сопротивление, если скорость достаточно большая и корпуса в носовой части достаточно широкие, возрастает лишь незначительно. Кроме увеличения скорости, сам «полет» на поднятом корпусе на высоте 1—2 м над водой представляет большое удовольствие для экипажа. Для того чтобы сделать один скачок вверх при сильном ветре — особого умения не требуется, но совершать продолжительные «полеты» то поднимаясь, то опускаясь, но не касаясь поверхности воды, удается только после определенной тренировки. Разумеется, для достижения максимальной скорости большого крена следует избегать, и наветренный корпус лучше пускать над самой поверхностью воды, так чтобы он временами касался волновых гребней.
Остойчивость катамарана при ходе на одном корпусе, в отличие от остойчивости швертбота, нестабильна; для того чтобы удержать крен в определенном диапазоне, все время приходится менять давление на парус, потравливая или выбирая шкоты или слегка изменяя курс. Лучше использовать последний способ, позволяющий быстрее реагировать на все изменения силы и направления ветра; к травлению гика-шкота следует прибегать лишь в тех случаях, когда грозит опрокидывание. Чем выше скорость, тем быстрее можно изменять курс и тем легче удерживать крен в определенном диапазоне.
Чтобы ходить на одном корпусе, катамаран должен обладать следующими качествами:
- быть достаточно прочным;
- иметь достаточно большие и легко управляемые рули на каждом корпусе;
- иметь хорошую центровку;
- нести большую парусность.
Оказывается, что двухкорпусная конструкция имеет настолько хорошие ходовые качества, что парусный катамаран достаточной величины можно использовать для буксировки акваплана, а при силе ветра 5—6 баллов — даже водных лыж. Это нам также удалось осуществить на нашем третьем катамаране.
Интересно отметить, что парус «развивает мощность», равносильную мотору мощностью 35— 38 л. с. При более сильном ветре с зарифленными парусами, очевидно, развивается еще большая мощность.
Трос для буксировки лыжника лучше всего крепить к мачте на уровне нижних краспиц. Длина троса должна позволять лыжнику находиться за буруном, образующимся на месте встречи расходящихся волн от обоих корпусов. Лыжнику следует держаться параллельно курсу катамарана на наветренной стороне. Стартовать лучше с воды следующим образом: с максимально выбранными парусами медленно отходить от плавающего лыжника, а когда трос натянется, увалиться и набрать ход. После выхода лыжника на поверхность воды с нарастанием скорости выбираются паруса и катамаран медленно приводится к ветру. Разумеется, что поворот на другой галс на ходу сделать не удается — приходится прикреплять трос на другой стороне паруса и стартовать заново.
В заключение хочется выразить надежду, что в скором будущем будут приняты правила постройки и обмера и налажен серийный выпуск катамаранов; что они выйдут на гоночные дистанции на равных правах с «финнами», «голландцами» и «пятерками», внося в парусный спорт еще большую стремительность и напряженность, характерные для нашего времени.