Всегда ли хорош плавниковый киль?

В наше время конструкторы яхт все чаше используют результаты исследований, проводимых в гидродинамических лабораториях. Не отрицая положительных сторон этого, заметим, что в каждом конкретном случае необходима критическая оценка имеющихся результатов. Другими словами, объект проектирования — яхта — должен рассматриваться в целом, в совокупности взаимосвязанных качеств и свойств.

Одним из вопросов, возникающих при разработке проекта, является выбор типа киля и руля. В последние годы предпочтение отдается плавниковым килям к отдельно от них размещенным рулям. Применение такого киля позволяет уменьшить смоченную поверхность корпуса и снизить сопротивление трения. Если корпусу придать соответствующие обводы, судно можно будет перевести в режим глиссирования — серфинга на попутной волне в свежий ветер. Однако на некоторых яхтах повысить скорость не удается. На волнении сопротивление плавникового киля может возрасти в несколько раз по сравнению с тихой водой. Возможно также явление аэрации киля и руля, при котором резко падают их гидродинамические характеристики.

Причины неудовлетворительного поведения яхт могут быть разными, но прежде всего их следует искать в неправильном применении результатов испытаний яхт в опытовом бассейне. Особенно, если испытывался так называемый "голый корпус" — без киля и руля. Хотя методы гидродинамики позволяют приближенно рассчитать сопротивление изолированных килей и рулей и даже учесть влияние корпуса на их характеристики, необходимо учесть и влияние выступающих частей на гидродинамику корпуса.

Сложным также является вопрос о положении киля по длине. Киль желательно располагать с учетом минимального влияния «гидродинамической теин», но это может противоречить требованиям устойчивости, умерения качки и особенно управляемости. Управляемость судна определяют его поворотливость и устойчивость на курсе. Если при движении яхты на тихой воде эти качества являются противоположными, то на сильном попутном волнении устойчивость может быть достигнута только за счет достаточной поворотливости. Последняя в свою очередь обеспечивается высокоэффективным рулевым комплексом, способным предотвратить резкое приведение судна к ветру — брочинг, возникающий при оголении руля. Эффективность комплекса зависит от места расположения, типа, формы и площади руля.


Ряд авторов считает критерием эффективности расстояние между центрами тяжести площадей геометрических фигур киля и руля (такая точка зрения высказывается, например, в известной советским читателям книге К. Рейнке, Л. Лютьена и И. Муса «Постройка яхт»). С этим можно было бы согласиться, если бы эффективность работы рулей различных типов не зависела от -состояния поверхности моря — существование такой зависимости не вызывает сомнений.

При анализе причин немореходного поведения современных яхт ряд авторов справедливо указывает на влияние поверхностных течений в волнах, к которым относят ветровые течения и орбитальные движения частиц в волнах [1, 3]. Эти течения иногда существенно изменяют скорость обтекания пера руля и угол атаки, а следовательно и действующие на руле гидродинамические силы.

Частицы воды приобретают орбитальное движение под воздействием ветра, причем частицы, расположенные на поверхности, совершают движение по максимальному радиусу, равному половине высоты волны. Они же приобретают наибольшие скорости V₀. По мере удаления от поверхности радиус траектории уменьшается, как и орбитальная скорость частиц [1]. Например, на глубине 0,1H орбитальная скорость частиц воды оказывается вдвое меньше, чем на поверхности. На гребне волны вектор скорости совпадает с направлением бега волн. В районе подошвы он направлен в противоположную сторону. Скорость поверхностных течений зависит от высоты и длины волны и оказывается соизмеримой со скоростью движения яхты.

Влияние поверхностного течения можно наглядно представить, рассматривая движение яхты под углом к попутной волне (см. рис.). Предположим, что длина волны λ = 30 м; высота Н=3 м. При таких размерах максимальная скорость поверхностного течения составляет V₀ = 4,2 уз. Построим треугольники скоростей потока воды, обтекающего корпус яхты, в положении близ вершины волны и у ее подошвы. Сложение векторов скоростей даст результат, объясняющий, почему яхты с плавниковым килем сильно зарыскивают на попутной волне и раскачиваются с борта на борт: угол атаки набегающего потока изменяется от α = —30° до α = +10°, а величина его скорости — от 3,8 уз на вершине до 11 уз близ подошвы (при скорости яхты V_s = 7 уз).

Изменение гидродинамических сил не происходит мгновенно. Они достигают значений, присущих новому углу атаки, только через некоторое время, необходимое для установления постоянного потока. Этот интервал времени (гистерезис) тем больше, чем больше хорда крыла (в нашем случае — хорда плавника киля). На «длинном» киле яхт традиционного типа моменты сил, вызывающих рыскание, растут гораздо медленнее, чем на узких плавниках современных яхт, и при движении яхты на коротких волнах часто успевают сменить свой знак прежде, чем резко изменится курс яхты. Это одна из причин лучшей устойчивости на курсе яхт с «длинным» килем.


Другой возможной причиной ухудшения управляемости на волнении, по нашему мнению, может явиться аэрация киля и руля. При некоторых углах атаки обтекание стороны разрежения плавников происходит с отрывом, образующаяся полость сообщается со свободной поверхностью. Это может происходить, несмотря на экранирующее действие корпуса, при частичном оголении руля и плавника на волне. Возможен также просос воздуха в зону разрежения из волновой впадины. В этом случае эффективность рулевого комплекса резко падает, яхта становится неуправляемой.

В статье А. А. Оскольского, опубликованной в «КЯ» №107 за 1984 г., дана оценка управляемости ряда яхт с помощью предложенного в ней коэффициента рулевого комплекса и сделан вывод о том, что данный коэффициент для малых яхт должен быть выше, чем для больших. Последнее по существу подтверждает влияние на управляемость соотношения размеров яхт и размеров волны в районе плавания. Это значит, что для достижения равноценной управляемости яхт различных размеров, эксплуатируемых в одинаковых условиях, нужно стремиться к примерно одинаковому заглублению пера руля. Поскольку на практике это требование не выполняется, то, как правило, меньшие по размерам яхты больше подвержены брочингу, чем крупные.

Совершенно очевидно, что у яхт традиционного типа руль, опирающийся на пятку в нижней точке фальшкиля, оказывается углубленным на полную осадку яхты в отличие от отдельно стоящего руля на яхте с плавниковым килем. В этом вторая причина лучшей устойчивости на курсе «старых» яхт.

Если следовать мнению о зависимости управляемости яхты от расстояния между центрами тяжести геометрических фигур плавника и руля, то для улучшения управляемости достаточно увеличить это расстояние. В соответствии с этим у многих современных яхт руль навешен на транце. Однако на крутых попутных волнах такой руль иногда в значительной степени выходит из воды, в результате чего ухудшается его эффективность и уменьшается возможность противодействия рысканию яхты. Критерий, справедливый для случая движения яхты на спокойной воде, здесь оказывается неправильным.


Можно было бы упомянуть еще некоторые свойства, присущие яхтам с «длинным» или с плавниковым килями. У последних можно, например, отметить возможность достижения большей максимальной скорости и более высоких лавировочных качеств, технологичность постройки.

Нужно, по-видимому, критически относиться к наблюдаемой в настоящее время тенденции использования плавниковых килей на всех без исключения яхтах. Часто приходится слышать безапелляционные высказывания о том, что плавниковый киль заведомо более предпочтителен. Однако это не так: при проектировании крейсерской яхты, особенно предназначенной для эксплуатации в тяжелых условиях, традиционный корпус с «длинным» килем представляется гораздо более выгодным. Да и для гоночной яхты можно представить ситуации, когда потери скорости от брочинга превзойдут выигрыш, обеспечиваемый более совершенной, с точки зрения гидромеханики «спокойной воды», формой корпуса с плавниковым килем по сравнению с традиционными обводами.

По нашему мнению, необходимо перейти от поиска универсального к обоснованному выбору оптимального типа киля с учетом назначения яхты н особенностей района ее эксплуатации.

Литература

• 1. Топу Marchai. Directional stability. Practical Boat Owner, № 202, October, 1983.
• 2. Рейнке K., Лютьен Л., Мус И. Постройка яхт. Л., Судостроение, 1982.
• 3. Оскольский А. А. Эффективность рулевого комплекса. «Катера и яхты», 1984, № 1.
• 4. Перельмутр А. С. Материалы для проектирования обводов и выступающих частей быстроходных катеров. Труды ЦАГИ. в. 554, 1944.