В книге рассмотрены вопросы, касающиеся проектирования современных многокорпусных парусников — катамаранов, тримаранов, проа. Особое внимание автор уделяет физическим основам плавания под парусами с большой скоростью. Приводимые расчетные зависимости и графики дают возможность произвести оценку мореходных качеств, выбрать главные характеристики, определить нужные размеры корпуса и рангоута.
Автор пишет в предисловии, что книга адресуется широким кругам яхтсменов, любителей-судостроителей. И хотя некоторые особенности изложения, в том числе использование старой английской системы единиц, создают известные трудности для прочтения, надеемся, что публикуемая глава, как и вся книга, будет встречена с интересом нашими читателями.
Как тип парусного спортивного судна проа известно в меньшей степени, чем другие многокорпусные суда. По этой причине использование современных материалов и технологии не оказало столь значительного влияния на их конструкцию, как на конструкцию катамаранов и тримаранов.
Летучие проа произошли от судов, строившихся в Микронезии и с наибольшим искусством — на Марианских островах в 14—15 вв. Проа оригинальной конструкции имели длину 70 и более футов. С ткаными наподобие циновок парусами они в благоприятных условиях развивали скорость до 20 уз. Во время испанской колонизации островов проа использовались как почтовые суда между Каролинскими, Марианскими и Филиппинскими островами. Рассказывалось, что на одном из таких судов за 6 дней был совершен переход из Гуама в Манилу протяженностью 1700 миль.
Представление о марианском летучем проа дает рис. 1, сделанный на основе исторических источников и данных, полученных от профессора Техасского университета Е. Дорана. Главный корпус имеет асимметричные обводы, более выпуклый борт обращен в наветренную сторону. В качестве аутригера использовано цельное бревно, имеющее значительный вес и небольшой запас плавучести. Летучее проа всегда ходит, имея аутригер с наветренной стороны {окажись аутригер с под-ветра, даже при легком порыве бревно-поплавок погрузится в воду и судно опрокинется). Управляется проа многочисленным экипажем, который, перемещаясь по поперечным балкам аутригера, откренивает судно так, чтобы поплавок летал над водой совсем близко от ее поверхности (отсюда и название «летучее проа»).
Использование проа в качестве спортивных судов, имеющих, как правило, небольшой экипаж, потребовало внести изменения в традиционную конструкцию. Первый шаг в этом направлении сделал Дик Ньюик, построивший в 1976 г. проа «Чирз». Основной корпус судна, на котором размещено оборудование, включая двухмачтовое парусное вооружение типа «шхуна», руль и шверт, расположен, в отличие от летучего проа, не с подветра, а с на-ветра. Подветренный корпус, водоизмещение которого наполовину меньше, чем наветренного, обеспечивает поперечную остойчивость благодаря действию силы поддержания, увеличивающейся по мере его погружения в воду. «Чирз» проявил себя как надежное и быстроходное судно: в трансатлантической гонке яхт-одиночек ОСТАР-68 он финишировал третьим.
Конструкция «Чирза» с аутригером-поплавком на подветренной стороне послужила основой для развития нового типа проа, названного «атлантическим». Два таких судна «Сэйдвиндер» и «Лиллиан»1, построенные вскоре после «Чирза» Дереком Келселом, не оказались удачными. Установка шверцев на аутригере «Сэйдвиндера» вызвала затруднения с центровкой. Повторение двухмачтового варианта парусного вооружения также не оправдало себя: из-за близкого расположения мачт воздух, стекающий с фока, задувал в грот, уменьшая эффективность его работы.
С развитием конструкции атлантических проа подводные крылья начали использовать на поплавке-аутригере для увеличения его подъемной силы и снижения сопротивления. Впервые эта идея была реализована Дж. Чепменом, построившим в 1972 г. 5,5-метровое проа на подводных крыльях «Тайгер». Как и на «Чирзе», экипаж и все оборудование размещены на главном наветренном корпусе.
Два наклонных под 41° к поверхности воды крыла на метровых стойках установлены на концах поперечных трубчатых балок. Поплавок-аутригер из фанеры с пенопластовым заполнителем обладает минимальной плавучестью, необходимой для обеспечения остойчивости на малой скорости. Единственный парус «Тайгера» поднимается на установленной в плоскости миделя поворотной мачте (рис. 2).
У «Тайгера» оказалась очень плохая центровка. При установке носового крыла с углом атаки 5°, а кормового — 4° устойчивость движения обеспечивалась только на курсе, близком к галфвинду. На более крутых курсах (см. рис. 3, а) судно приводится, на полных — уваливается под ветер (рис. 3, в). Линия действия аэродинамической силы на парусе FА совпадает с линией действия гидродинамической результирующей силы FН только при одном положении паруса (рис. 3,6). Если крылья снять и установить шверт на наветренном корпусе, судно будет обладать хорошей устойчивостью на курсе при любом положении паруса. Это подтверждает тот факт, что «Чирз», имеющий шверты на наветренном корпусе, обладает гораздо лучшей устойчивостью на курсе, чем «Сайдвиндер», у которого шверты установлены на подветренном корпусе.
Рассмотрим центровку проа более подробно. На рис. 4 представлена схема сил, действующих на судно в вертикальной плоскости, когда его вес W полностью поддерживается подъемными гидродинамическими силами на подводных крыльях fS и fB. Из условия равновесия сил
Здесь Fx — сила тяги парусов; R — сила сопротивления воды.
В равенстве (1) принято допущение, что судно идет в положении, близком к пределу поперечной остойчивости, при котором сопротивление наветренного корпуса, скользящего по поверхности воды, как пренебрежимо малое, можно не учитывать. Из равенства нулю дифферентующих моментов относительно кормового крыла получим
На схеме проа в плане видно, что центр парусности ЦП находится на расстоянии b к ветру и l в нос от кормового крыла. Можно записать еще два уравнения:
Здесь dS и dB — силы сопротивления дрейфу, развиваемые на подводных крыльях; Fy — сила дрейфа, образованная действием воды на паруса.
Для наклонных подводных крыльев с постоянным углом килеватости θ боковые составляющие сил могут быть представлены в виде
Чтобы решить эти уравнения, необходимо знать гидродинамическое качество К подводных крыльев, т. е. отношение подъемной силы к сопротивлению воды. Эксперименты показали, что в широком диапазоне скоростей парусных судов на подводных крыльях К=7, а так как Fx=R, то
Из приведенных уравнений можно найти величину l, характеризующую положение ЦП по длине судна:
Затем можно определить для этого случая подъемную силу носового и кормового крыльев:
Информация об изображении
Рис. 4. Схема сил а моментов, действующих на проа, снабженное подводными крыльями
Таким образом, на проа с подводными крыльями положение ЦП определяется в зависимости от положения центра тяжести ЦТ по длине судна и, соответственно, распределения нагрузки между носовым и кормовым крыльями. Если ЦТ сместить в корму (например, переместив на небольшом проа экипаж в корму), то при L'>L/2 ЦП может быть сдвинут назад от миделя. Если потребуется, чтобы ЦТ находился на миделе (L'=L/2), как на больших проа, то для выполнения условия h>b ctg θ, при котором устойчивость движения обеспечивается в широком диапазоне курсовых углов судна к ветру, необходимо, чтобы l>L/2, т. е. ЦП должен находиться в нос от миделя. Это должно учитываться при проектировании парусного вооружения.
Рис. 4. Схема сил а моментов, действующих на проа, снабженное подводными крыльями
При простейшем парусном вооружении проа мачта ставится у миделя (рис. 5, а), однако при этом ЦП всегда будет смещен в корму. Чтобы иметь возможность регулировать центровку, используют подвижные мачты.
Такая конструкция была применена при модернизации в 1973 г. проа «Тайгер». Новое парусное вооружение, установленное на подветренном корпусе, превратило проа из атлантического в тихоокеанское. В таком виде оно значительно лучше управлялось, чему в немалой степени способствовало устройство для перемещения мачты, состоящее из проложенного дугой вдоль борта рельса, по которому перемещается шпор мачты. Для выполнения поворота проа становится лагом к ветру с растравленными шкотами, а мачта оттягивается по рельсу к миделю. В таком положении судно остается до тех пор, пока рулевое управление не будет перенесено с кормы на нос и не изменятся соответствующим образом углы атаки подводных крыльев. Затем шпор мачты продвигается дальше к оконечности, которая стала носовой, шкоты подбираются, проа ложится на новый галс.
Однако выполнить этот маневр сложно, а на более крупных проа вообще невозможно. Перенести же ЦП далеко вперед, чтобы была обеспечена устойчивость движения судна на подводных крыльях с ЦТ у миделя, оказывается практически невозможно, особенно при парусах с большим удлинением или малой площади.
На рис. 5, б показано парусное вооружение, разработанное в 1962 г. Дж. Тейлором. Парус имеет конфигурацию равнобедренного треугольника. Оба нижних угла снабжены шкотами, проведенными на мощные лебедки. На рисунке проа показано идущим вправо. Выбранный втугую шкот в носу исполняет роль галса; кормовым шкотом настраивается положение паруса относительно ветра. При повороте функции шкотов, так же как положение кормы и носа, меняются. В обоих случаях обеспечивается носовая центровка паруса и сбалансированность аэродинамических и гидродинамических сил. Как и любое стаксельное вооружение, этот парус создает значительные нагрузки на корпус судна.
Оптимальным типом парусного вооружения для проа, как и для других многокорпусных судов, является пирамидальный парус (рис, 6). Он представляет собой два треугольных паруса, соединенных вместе вершинами и расположенных относительно друг друга так, чтобы расстояние между ними по всей высоте равнялось хорде паруса в данном сечении. Каждый парус может иметь достаточно большое аэродинамическое удлинение и в то же время их общий ЦП располагается не так высоко, как у обычных бермудских парусов такой же площади, Экспериментально установлено, что точка приложения результирующей аэродинамической силы, расположенная на высоте 1/3 высоты треугольного паруса, при изменении угла атаки от минимального до 90° перемещается на расстояние от 35 до 50% хорды от передней шкаторины. Расположив парус таким образом, чтобы примерно 35% его площади оказалось впереди мачты, можно получить вооружение с ЦП, находящимся всегда близ оси поворота — при пирамидальном вооружении ею является мачта, вокруг которой вращается вся система. Поэтому даже в сильный ветер шкоты пирамидальных парусов можно выбирать без помощи лебедок.
При пирамидальном вооружении появляется возможность обтянуть стоячий такелаж до установки мачты на судно. При этом корпус и поперечные связи не испытывают нагрузок от тяги штагов и осевого усилия мачты, как это бывает при традиционных типах оснастки. Для облегчения вращения мачта устанавливается в опорах качения — с упорным шарикоподшипником у степса и роликовым подшипником, закрепленным немного ниже точки крепления четырех гиков.
При значительных размерах пирамидальных парусов может потребоваться дополнительное подкрепление мачты штагами, проведенными к оконечностям корпусов. В этом случае верхние концы штагов крепятся на топе мачты ко второму упорному подшипнику.
Геометрическое удлинение пирамидальных парусов может составлять около трех. Большое преимущество такие паруса имеют благодаря свободной — не закрепленной по длине гика — нижней шкаторине.
Эксперименты, проведенные Ч. Мархаем, показали повышение движущей силы пирамидального паруса на 15—20% в результате уменьшения индуктивного сопротивления. Дополнительное «паразитное» сопротивление четырех гиков получилось пренебрежимо мало по сравнению с большей подъемной силой парусов. Вес рангоута оказался, конечно, больше, чем при вооружении, примененном Тейлором, однако меньшая величина усилий передаваемых на корпусные связи, дала возможность выиграть в суммарном весе судна. Пирамидальные паруса, установленные симметрично относительно миделя и на достаточно большом расстоянии друг от друга, позволяют изменять положение ЦП в широких пределах. Центровка не нарушается и при различных вариантах рифления парусов. Имея такие высокоэффективные паруса и подводные крылья, при высокой скорости можно получить хорошую устойчивость на курсе.
Оптимальное расположение парусного вооружения по ширине проа будет при ЦП, находящемся в одной вертикальной плоскости с линией действия результирующей силы гидродинамического сопротивления. Поскольку для быстроходного проа это условие должно соблюдаться при уменьшенном сопротивлении наветренного корпуса, ЦП должен быть смещен к подветренному корпусу или находиться над ним. При установке подводных крыльев предпочтителен тихоокеанский вариант проа, а для судов типа «Чирз» — атлантический.
Главным качеством любой мореходной конструкции является простота. Согласно этой концепции подводные крылья вместе со своими стойками должны крепиться к корпусу так, чтобы не требовалось никакой их регулировки при перемене направления движения. Поскольку носовое крыло должно иметь большую подъемную силу, чем кормовое при любом направлении движения, нижние плоскости обоих крыльев устанавливаются с нулевым углом атаки, вторые плоскости носового крыла — с углом атаки +1,3°, кормового —1,3°; третьи соответственно +2,6° и —2,6° и верхние +4° и —4°. Такое расположение обеспечивает носовому крылу большую подъемную силу при любом направлении движения судна без дополнительной регулировки при выполнении поворота. Если возникнет Дифферент на нос, подъемная сила кормовых крыльев уменьшится быстрее, чем носовых, и положение на ровный киль восстановится автоматически.
Специфическая проблема для проа — конструкция рулей, так как судно должно одинаково хорошо управляться, независимо от того, какая из двух оконечностей в данном случае является носовой. На проа «Чирз» Ньюик смонтировал рули на шверцах, устанавливаемых в колодцах близ оконечностей наветренного корпуса. Перо руля располагалось в средней части шверца так, что оно действовало лишь при полном его опускании; носовой шверц опускался только частично для точной центровки лодки (рис. 7). В следующей конструкции проа Ньюик использовал навесные рули на каждой оконечности подветренного корпуса. Эти рули работали вместе, отклоняя корму в одну сторону, а нос — в Другую. Однако при плавании на мелководье обе эти системы ока-запись ненадежными.
На проа с подводными крыльями рули можно закрепить на стойках крыльев таким образом, как это показано на рис. 8. Так как крылья могут быть подняты при плавании на мелководье или в слабый ветер, для управления рулем желательно иметь гидропривод.
Результат приведенных выше рас-суждений представлен на рис. 9 в виде схематического чертежа проа для плавания в открытом море.
Пассажирское проа на подводных крыльях
Занимаясь переводом книги быстро-ходные парусные суда», я пришел к выводу, что проа на подводных крыльях представляют интерес не только как спортивные суда. Они могли бы стать, например, прототипом неплохого круизного судна, рассчитанного на непродолжительные рейсы в районах с устойчивыми ветрами. Аутригер с установленным на нем парусным вооружением наподобие изолированного энергоблока не будет загромождать пассажирской палубы, а у туристов появится возможность любоваться морем в его первозданной красоте (без примесей отработанного соляра и шума машин).
Расчеты, выполненные в самом первом приближении, показали, что при водоизмещении 40 т и вместимости около 30 пассажиров судно должно иметь следующие размерения: длина корпуса/аутригера наибольшая — 32/44 м, по ватерлинии — 25/36 м; ширина корпуса/аутригера по ватерлинии — 1,7/1,4 м; осадка корпуса/аутригера — 1/0,7 (1,5) м.
Трехмачтовое парусное вооружение площадью около 700 м2 типа стаксельная шхуна позволяет варьировать площадь парусности в широких пределах. При смене галса, когда кормовая и носовая оконечности меняются местами, паруса заводятся на противоположные штаги. Дистанционное управление позволит экипажу из 5—7 человек выполнять любые маневры.
По эмпирическим зависимостям, в том числе и тем. которые приводятся в книге Дж. Норвуда, расчетная скорость проа в свежий ветер должна составить 20 уз.
Примечания
1. В 1976 г. опрокинутое и сильно поврежденное проа «Лиллиан» было обнаружено в Атлантике советским судном и доставлено в Северодвинск. Впоследствии судно было восстановлено, под названием «Мираж» оно участвовало в гонках на Кубок Балтики 1982 г.