Бурное развитие международных парусных гонок, в первую очередь, соревнований крейсерско-гоночных яхт, в немалой степени способствовало этому явлению. Гонки на «Кубок Америки», «Адмиральский Кубок», «Однотонный Кубок» и другие соревнования уровневых1 классов, кругосветные и трансокеанские гонки явились великолепной лабораторией, где лучшие гонщики на практике испытывали последние творения ведущих парусных мастеров и производителей парусных материалов. Именно при подготовке к «Кубку Америки-77» впервые появились экспериментальные паруса из полиэстерной (в нашей стране она называется лавсановой) пленки — майлара, обладающей высокой прочностью. Главным ее достоинством является то, что она в одинаковой степени противостоит растяжению в любом направлении, в отличие от традиционных тканей, которые сильно растягиваются по диагонали относительно нитей основы и утка. Однако первые опыты с майларом оказались неудачными, так как пленка была очень хрупкой и легко рвалась. Маленькие проколы иглой быстро превращались под нагрузкой в разрывы от шкаторины к шкаторине. Пленка также сильно разрушалась под воздействием ультрафиолетовых лучей.
Следующее поколение материалов на основе майлара представляло собой ламинат, состоящий из относительно легкой ткани (нейлон, тонкий дакрон) и полиэстерной пленки. В такой композиции ткань является армирующим материалом, существенно увеличивающим прочность на разрыв и уменьшающим хрупкость парусов. Полученный таким образом материал имеет одну гладкую сторону (со стороны пленки) и одну шероховатую (со стороны ткани). Попытки получить материалы, покрытые пленкой с двух сторон, успеха не имели, так как при двустороннем покрытии в материале неизбежно возникали чрезмерные внутренние напряжения, которые приводили к его расслоению в зоне максимальных нагрузок.
В результате упорной работы парусных мастеров, разработчиков и производителей материалов, удалось получить легкую, прочную и удобную в работе ткань. Современные паруса почти в два раза легче тех, которые применялись в аналогичных условиях всего 8—10 лет назад. В нашей стране в НИИ пластмасс получены и испытаны опытные партии композитных материалов типа майлара из лавсановой пленки на нейлоновой основе. Образец такой ткани весом 160 г/м2 на испытаниях показал такую же прочность и деформативные свойства, что и образец из дакрона весом 240 г/м2. Аналогичными свойствами обладают и ламинаты, производство которых налажено в Польской Народной Республике. Наши яхтсмены уже в ближайшие годы смогут сменить паруса из лавсана и дакрона на майларовые.
Другой синтетический и пока еще труднодоступный материал — кевлар обладает еще более высокой прочностью. Впервые полученные американской фирмой «Дюпон» в 1977 году, эти арамидные волокна на испытаниях показали фантастические результаты: их прочность на разрыв оказалась в 10 раз выше полиэстерных волокон, применяемых при изготовлении дакрона, и в два-три раза выше прочности стекловолокна. Свое первое применение в малом судостроении кевлар нашел в качестве армирующего материала при изготовлении сверхлегких пластмассовых корпусов гоночных яхт и катеров. Попытки применить ткань из кевлара для парусов сначала были неудачными. Паруса получились очень жесткими, неудобными в работе, плохо укладывались. К тому же оказалось, что кевлар слишком чувствителен к воздействию ультрафиолетовых лучей.
Изготовители парусов попытались создать композитный материал, состоящий из дакрона с армирующими волокнами кевлара, вплетенными в ткань в продольном и поперечном направлениях. Однако оказалось, что нити кевлара, будучи во много раз жестче волокон дакрона, буквально распиливали их, ослабляя материал и, в конце концов, разрушая его.
Только после продолжительных исследований и испытаний удалось получить материалы, сочетающие в себе высокую прочность, легкость и удобства в эксплуатации. Наилучшие результаты были получены на парусах, сшитых из ламинатов майлар/кевлар, в которых в максимальной степени проявляются лучшие качества обоих материалов. Паруса из этих материалов под нагрузкой практически не меняют свою первоначальную форму. Это очень «жесткие» паруса, обладающие великолепными тяговыми характеристиками.
Но всегда ли нужны такие жесткие паруса? Конечно, такой парус отлично держит заданную раскроем форму, но ведь эта вполне определенная форма рассчитывается обычно на определенную силу ветра и курс яхты относительно его. А ветер, как известно, никогда не бывает постоянным — он меняется и по силе, и по направлению. Если парус не может приспосабливаться, менять свою форму с изменением ветра, значит вместо него нужно ставить новый парус, форма которого лучше соответствует новым ветровым условиям. Не случайно поэтому на морских гоночных яхтах высокого класса парусный гардероб включает в себя десятки сменных парусов, которые существенно повышают стоимость судов, а это сужает круг людей, занимающихся парусным спортом. Следовательно, все более актуальным становится создание универсальных парусов, способных эффективно работать в широком диапазоне силы ветра, автоматически настраиваясь на определенные условия.
Чтобы сформулировать требования, которым должен отвечать такой универсальный парус, давайте вспомним, что происходит с обычным, традиционным парусом при усилении ветра. В этих условиях для обеспечения оптимальных тяговых характеристик целесообразно придать ему относительно плоский профиль, уменьшить «пузо», как говорят яхтсмены. Однако, под воздействием все увеличивающейся нагрузки, парусная ткань растягивается и профиль паруса становится все более полным. Как следствие — увеличивается сила дрейфа, возрастает крен и дрейф яхты, снижается ее скорость. В какой-то степени можно корректировать профиль стакселя, набивая фал и оттяжку Кэннингхема, но такая регулировка действенна лишь в известных пределах, и радикальным средством является замена паруса другим, более плоским. Профиль грота становится более плоским за счет изгиба мачты, взятия специального «уплощающего» рифа. Но можно заставить парус не увеличивать полноту профиля под нагрузкой, а становиться более плоским.
В первом приближении поверхность паруса можно считать сферической. Возьмем в качестве простейшей модели такой поверхности часть теннисного мяча, положим ее на плоскость выпуклой стороной вверх и попробуем прижать к этой плоскости. Нетрудно убедиться, что это можно сделать, лишь существенно растянув края и оставляя среднюю часть неизменной. Точно так же и парус будет «уплощаться» под действием нагрузки, если его центральную часть сделать из жесткой, недеформируемой ткани, а шкаторины — из более легкой, способной растягиваться.
Этот вывод противоречит нашим традиционным представлениям — ведь паруса, наоборот, всегда старались усиливать по шкаторинам. Следовательно, для того чтобы спроектировать универсальный парус, необходимо отказаться от сложившихся стереотипов и найти новые методы раскроя. Помогают в этом современные методы проектирования с использованием электронно-вычислительной техники. В результате многочисленных исследований, в ходе которых с помощью тензодатчиков определялись напряжения в разных точках натурных парусов, была создана математическая модель, позволяющая получить диаграмму распределения напряжений на поверхности паруса с учетом их величины и направления. Максимальные усилия возникают вдоль задней шкаторины, в шкотовом и в фаловом углах. Следовательно, эти части паруса должны выполняться из более жесткой ткани, так же как и средняя часть.
Части паруса у передней и нижней шкаторин должны быть сшиты из существенно более легкой ткани, способной удлиняться при усилении ветра и тем самым делать парус более плоским.
Естественно, при проектировании паруса необходимо учитывать свойства применяемой ткани. Любая парусная ткань состоит из часто расположенных продольных нитей — основы и переплетенных с ними поперечных нитей — утка. Как правило, по технологическим требованиям для основы применяют более прочные и толстые нити, поэтому прочность и способность ткани противостоять растяжению вдоль полотнища, как правило, выше, чем поперек. При растяжении по диагонали относительно нитей такая ткань сильно деформируется. В ламинатах с использованием пленки майлара эти свойства выражены слабее, однако и в этом случае с ними приходится считаться.
Полотнища ткани в парусе следует располагать так, чтобы нити основы, по возможности, были ориентированы по направлению основных растягивающих усилий. В этом случае ткань будет работать с максимальной эффективностью.
При изготовлении парусов большое внимание должно быть уделено тем местам паруса, где возможна значительная концентрация напряжений — углам, лат-карманам, местам установки люверсов и стыкам полотнищ ткани с различной жесткостью. На рисунках показаны конструкции некоторых усиливающих деталей, которые в значительной степени нейтрализуют вредное влияние концентрации напряжений.
Изложенные основные принципы нового подхода к проектированию и изготовлению парусов, находят свое применение в работе ведущих парусных мастеров во всем мире. Большое количество парусов для гоночных и крейсерско-гоночных яхт у нас шьется из лавсана, обладающего низкими эксплуатационными характеристиками, поэтому поиски наиболее эффективных методов раскроя, способствующих снижению напряжений в парусе, становятся еще более актуальной задачей. Эксперименты, проводимые нашими парусными мастерами, позволят в недалеком будущем дать конкретные практические рекомендации.
Примечания
1. «Уровневые» классы яхт — имеющие фиксированную величину гоночного балла (четверть-, полу-, одно-, двухтонники и т. п.).