С поступлением воды ухудшаются эксплуатационные качества судна. Из-за увеличения веса снижается скорость хода, лодка тяжелее всходит на волну, становится валкой, т. е. получает крен при незначительных воздействиях ветра, волны или перемещении экипажа, даже от перекладки руля.
Особенно опасна вода, которая может свободно переливаться с борта и а борт, как говорят судостроители — обладает свободной поверхностью. Центр тяжести этого дополнительного груза перемещается в сторону накрененного борта, в результате чего снижается характеристика остойчивости — поперечная метацентрическая высота1, а следовательно, и способность судна противостоять внешним силам, вызывающим крен.
Из теории корабля известно, что метацентрическая высота h уменьшается прямо пропорционально моменту инерции ix свободной поверхности воды в трюме относительно продольной оси судна и обратно пропорционально водоизмещению V:
В случае, если форма свободной поверхности воды близка к прямоугольнику шириной b и длиной l,
Например, если в корпусе популярного швертбота «Креветка», имеющего полное водоизмещение 650 кг, уровень воды в трюме достигнет пайолов и размеры ее свободной поверхности будут: b= 1,5 м; l=4,2 м. то исходная метацентрическая высота, равная 1,45 м, уменьшится на 1,2 м или на 82%! В свежий ветер остойчивости швертбота может оказаться недостаточно, если во время не откачать воду из трюма. Это, к слову, и подтвердилось при расследовании причин одной из аварий, случившейся с лодкой этого типа в Финском заливе.
Заметим, что эффект снижения остойчивости получается и в случае установки на малом судне водяных и топливных цистерн. Особенно, если цистерны плоские и широкие и не разделены продольными отбойными переборками, которые препятствуют свободному перетеканию жидкости в поперечном направлении.
Количество жидкости в цистерне не имеет значения; чтобы снизить потерю остойчивости, свободную поверхность содержимого необходимо разделить на несколько узких прямоугольников.
В проектах некоторых яхт и катеров, созданных в последние десятилетия, можно видеть, как конструкторы используют забортную воду в качестве средства для повышения остойчивости судов. В этих случаях вода, заполняющая специальные цистерны, выполняет ту же роль, что и обычный твердый балласт, будь то чугунный фальшкиль, закрепленный снаружи корпуса, или литые свинцовые чушки, укладываемые в трюм под пайолами. Сосредотачивая в себе определенную часть полного водоизмещения судна, балласт понижает его общий центр тяжести и соответственно увеличивает метацентрическую высоту.
При одинаковом весе водяной балласт занимает, конечно, в 6—9 раз больший объем в корпусе, чем металлический, но конструкторов привлекает одно ценное свойство: возможность при определенных обстоятельствах полностью избавляться от балластной воды и в любой момент вновь принимать ее на борт.
Познакомимся с некоторыми конкретными примерами использования водяного балласта на малых судах.
В стремлении снизить ударные перегрузки, которые испытывают быстроходные глиссирующие катера, были развиты новые типы обводов с днищем повышенной килеватости (под килеватостью понимается угол, который образует в поперечном направлении поверхность днища с основной горизонтальной плоскостью, касающейся киля). На многих современных мотолодках и катерах угол килеватости днища достигает 23—25°. Если лодка с такими обводами имеет облегченную конструкцию и несет незначительную нагрузку (как, например, гоночная 1—2-местная мотолодка), то на стоянке или при плавании в водоизмещающем режиме действующая ватерлиния оказывается чрезмерно узкой и судно становится валким.
Этот недостаток можно устранить, если в нижней части днища вдоль киля устроить открытую с кормы балластную цистерну. При спуске лодки на воду цистерна самотеком заполняется водой, лодка глубже садится в воду, при этом ширина действующей ватерлинии увеличивается. Пропорционально ширине в кубической степени возрастает мета-центрический радиус, снижается общий центр тяжести лодки с учетом водяного балласта. Правда, в данном случае — при открытой с кормы цистерне — вода выполняет роль балласта только при малых углах крена, когда она не имеет возможности вылиться через «окно» в транце.
На режиме глиссирования, когда судно приобретает поперечную остойчивость за счет гидродинамических сил давления, действующих на днище, балласт становится не только не нужным, но и вредным — препятствует достижению высоких скоростей. Здесь-то и выполняет свою роль отверстие в транце: по мере уменьшения осадки лодки при ее выходе на глиссирование вода свободно выливается из цистерны, водоизмещение уменьшается, скорость судна возрастает, хотя и не так стремительно, как на обычной лодке без балластной цистерны.
Для того чтобы заполнение цистерны водой и ее слив на ходу происходили беспрепятственно, цистерну необходимо снабжать вентиляционной трубой достаточного сечения, конец которой обычно выводится на палубу.
В качестве примера применения балластной цистерны на глиссирующих судах можно при вести гоночную мотолодку «Леви-16», спроектированную известным итальянским конструктором и гонщиком Ренато Леви в 1964 г. Эта лодка имела ширину по скуле всего 1,22 м и угол килеватости днища у транца 25°; вес корпуса составлял 220 кг На ее транец навешивался подвесной мотор «Меркюри» мощностью 100—140 л. с., собственный вес которого в те годы составлял около 160 кг. Это обусловило довольно высокое расположение общего центра тяжести. На стоянке и на малом ходу лодка вела себя совершенно неудовлетворительно — была очень валкой, легко получала крен, например, при маневрировании в предстартовое время. Дело усугублялось тем, что с целью снижения веса корпуса конструктор уменьшил до минимума (593 мм на миделе) высоту борта.
Для повышения остойчивости Леви превратил пайол кокпита в водонепроницаемый настил второго дна, под которым поместилось 160 л водяного балласта Этого оказалось достаточно, чтобы мотолодка приобрела необходимую остойчивость; попутно уменьшился дифферент на корму, улучшилась управляемость на малых ходах. В том же 1964 г. английские гонщики Дж. Меррифилд и Л. Мелли одержали на этой лодке победу в престижной европейской гонке «6 часов Парижа». Правда, на максимальных скоростях, когда цистерна опорожнялась и лодка глиссировала буквально на пятке, она получала заметный крен. На этом режиме движения ширина смоченной поверхности днища была столь узкой, что восстанавливающий момент гидродинамических сил оказался недостаточным, чтобы противодействовать реактивному моменту гребного винта, вызывающему крен в сторону, противоположную направлению вращения. От этого крена удалось избавиться, лишь сместив подвесной мотор на транце на 40 мм на правый борт.
Нашел применение водяной балласт и на парусных яхтах. Прежде всего, он сулит значительные преимущества на сравнительно небольших крейсерских швертботах, которые буксируются на прицепах трейлерах за легковыми автомобилями. Габаритная ширина таких яхт ограничивается правилами дорожного движения (в большинстве стран она не должна превышать 2,45 м). Обеспечить остойчивость, необходимую для несения эффективной парусности, только за счет остойчивости формы корпуса, т е. увеличения его ширины, в этом случае не удается. Требуется снабдить яхту тяжелым опускным килем или твердым балластом, чтобы понизить центр тяжести судна.
Однако этот дополнительный вес (при длине яхты 6—7,5 м составляющий 300—700 кг) при транспортировке лодки на трейлере не только оказывается бесполезным, но и вызывает дополнительный расход горючего буксирующим автомобилем. Малая масса трейлера с лодкой во многих случаях позволяет получить важное преимущество — использовать для его буксировки экономичные малолитражные автомобили, которые получили преимущественное распространение среди автолюбителей. Кроме того, упрощаются операции погрузки яхты на трейлер, ее спуска на воду.
Поэтому логично использование и на судах этого типа водяного балласта, от которого судно освобождается при подъеме на берег и погрузке на трейлер. Балластная цистерна устраивается обычно под пайолом каюты, емкость ее на швертботе длиной 5—6 м составляет 240 300 л, на швертботах длиной 7—7,5 м — 400—500 л.
Для того чтобы избежать отрицательного эффекта свободной поверхности воды в цистерне, она должна полностью находиться ниже действующей ватерлинии судна и заполняться водой «под пресс» — с некоторым превышением этого уровня. Кроме того, должна быть исключена возможность вытекания воды из цистерны при крене лодки. Такая цистерна заполняется водой самотеком через днищевой кингстон, снабженный запорным вентилем, а воздушные трубки, по которым при этом удаляется воздух, выводятся на палубу и снабжаются пробками. Обычно для заполнения цистерны достаточно 5—6 минут после открытия кингстона, уровень воды в ней контролируется по воздушной трубке, которая делается из прозрачного пластика.
Иногда для увеличения водяного балласта и повышения его эффективности водой заполняется и полый профилированный шверт, для чего в его верхней части делают специальные отверстия.
Немалое значение для обеспечения необходимой остойчивости швертботов имеет форма корпуса и рубки. В упрощенном виде можно представить восстанавливающий момент, который препятствует накренению швертбота под действием ветра на паруса, в виде пары двух сил (см. схему): веса балласта В, направленного вниз, и силы плавучести V, направленной вверх. Плечо этой пары сил, равное нулю, когда лодка находится на плаву без крена, увеличивается по мере наклонения за счет смещения силы плавучести к борту вплоть до того момента, когда в воду входит кромка палубы. При дальнейшем наклонении уменьшается метацентрический радиус за счет уменьшения ширины и площади действующей ватерлинии, поэтому плавание на швертботе с таким креном становится опасным.
Иное дело, если швертбот снабжен надстройкой, стенки (комингсы) которой являются продолжением бортов. На больших углах крена в воду погружается дополнительный объем надстройки, сила плавучести смещается еще ближе к борту, вследствие чего возрастает и восстанавливающий момент пары сил В и V. Этот принцип повышения остойчивости широко применяет в своих проектах легких «трейлерных» каютных швертботов новозеландский яхтенный конструктор Джим Янг. В качестве примера приводим схему общего расположения и парусности 5,2-метрового швертбота «Янг-5,2».
Конструкция корпуса этого швертбота рассчитана на самостоятельную постройку из предварительно выкроенных фанерных деталей методом сборки на металлических скрепках с проклейкой соединений лентами стеклоткани. Масса лодки при транспортировке на трейлере составляет 404 кг; на плаву в балластную цистерну принимается 222 кг воды Несмотря на сравнительно малые размерения швертбот оборудуется 4 спальными местами, а надстройка, простирающаяся на всю ширину корпуса, обеспечивает необычно комфортабельное размещение экипажа в каюте. Для уменьшения дифферента на корму, когда в кокпите располагаются все четыре человека, в носовой части балластной цистерны предусмотрен дополнительный объем, несколько смещающий центр тяжести лодки в нос.
Низкий и широкий грот с тремя рядами рифов свидетельствует о заботе конструктора о снижении кренящего момента и обеспечении безопасности плавания швертбота при усилении ветра.
Заметим, что трейлерные яхты весьма популярны в Новой Зеландии, как, впрочем, и в ряде европейских стран, где владельцы парусников предпочитают держать их на берегу (часто на своих приусадебных участках), как из-за дороговизны стоянок на море, так и вследствие удаленности акватории от места жительства. В этой островной стране для любителей семейных путешествий под парусом доступны свыше 80 различных моделей трейлерных яхт, в первую очередь швертботов; существует Ассоциация трейлерных яхт.
Ассоциация следит за безопасностью плавания и за тем, чтобы яхты удовлетворяли минимальным требованиям к их эксплуатационным качествам. Так, остойчивость швертботов оценивается по величине коэффициента SARMI — отношению рабочей (лавировочной) площади парусности SA к восстанавливающему моменту RM при крене 45°:
Если величина коэффициента превышает верхний предел, остойчивость лодки считается недостаточной. В этом случае конструктор предпочитает скорее уменьшать парусность, чем увеличивать массу балласта.
Максимальное водоизмещение яхт, перевозка которых возможна за легковым автомобилем, достигает 2 т, площадь парусности 25 м2, длина — до 8 м. Для перевозки таких яхт необходим уже достаточно мощный автомобиль с двигателем рабочим объемом 5000 см3 и выше (швертбот «Янг-5,2» можно буксировать за автомобилем с двигателем 1000—1500 см3).
Примером сравнительно крупного трейлерного швертбота, снабженного цистерной водяного балласта, может служить серийная пластмассовая яхта типа «Мак Грегор 26», которая строится в Калифорнии, США, и экспортируется во многие страны мира, включая Скандинавию. Сухой вес лодки на трейлере — 1,3 т, вес водяного балласта — 550 кг, или 42% водоизмещения порожнем. Настил балластной цистерны также выполнен из стеклопластика и приформован к наружной обшивке. Можно отметить, что днище швертбота имеет несколько большую килеватость, чем обычно, благодаря чему удалось получить нужный объем цистерны и расположить в ней колодец для узкого профилированного шверта. Таким образом шверт, полностью убирающийся в корпус, не загромождает каюту.
Как и в новозеландском проекте, на «Мак Грегоре» предусмотрена надстройка от борта до борта, придающая способность швертботу вставать на ровный киль, если порывом ветра его положит парусами на воду. При крене 90° входные люки в переборке надстройки и на палубе располагаются над водой и необходимо приложить усилие 60 кг к топу мачты, чтобы удерживать швертбот в этом положении. По окончании действия порыва ветра или освобождения топа мачты от груза судно встает в нормальное положение без каких-либо усилий со стороны экипажа.
Кокпит швертбота самоотливной, а пространство под ним используется для размещения комфортабельной двуспальной койки с размерами 1,82X2,10 м.
Водяной балласт нашел применение и на гоночных океанских яхтах, которые соревнуются на дистанциях с превалирующими попутными ветрами. Их конструкторы прилагают все усилия, чтобы снизить массу корпуса, оборудования и оснастки и получить такое соотношение площади парусности и водоизмещения, которое бы позволило при благоприятных условиях вывести судно на режим глиссирования — серфинга на попутной волне. Снабжать такую яхту металлическим фальшкилем, масса которого составляет 55—60% водоизмещения, значит свести на нет все усилия по облегчению яхты, сделать малооправданным применение дорогостоящих «экзотических» материалов для корпуса и вооружения — арамидных волокон, углепластиков, титана и т. п. Тем более, что бейдевинд, при котором действуют наибольшие кренящие моменты, занимает обычно не более 30% протяженности маршрута гонки.
И в этом случае конструкторы вспомнили о водяном балласте. Одной из первых гоночных яхт, снабженных бортовыми цистернами для откренивания, стал «Пан Дюик V», на котором знаменитый французский яхтсмен Эрик Табарли одержал победу в Транстихоокеанской гонке яхтсменов-одиночек в 1969 г. (см. «КиЯ» №21). Конструкторы яхты М. Бигуэн и Д. Дювержи спроектировали очень легкий и широкий алюминиевый корпус яхты. При длине и ширине по конструктивной ватерлинии соответственно 9,15 и 2,9 м, в надводной части корпус расширялся до 3,5 м за счет выступающих наружу бортовых наделок-булей. В каждой наделке переборками выделялись балластные цистерны емкостью по 500 л. На курсе бейдевинд забортная вода заполняет цистерну на наветренном борту; балласт, масса которого составляет 16% водоизмещения судна, вместе со свинцовым фальшкилем весом всего 400 кг, закрепленным на глубоком (осадка 2,3 м) плавнике, образуют пару сил, препятствующую крену яхты под действием парусов.
Немалую роль играет и объем пустой наделки на подветренном борту, сила плавучести на которой растет по мере ее погружения в воду. При перемене галса рулевой открывает клапаны и вода по трубопроводам перетекает либо перекачивается насосом в ту цистерну, что становится наветренной после поворота. Таким образом удалось обеспечить достаточную остойчивость яхты при общей массе балласта всего 24% водоизмещения. А на попутном курсе, когда кренящий момент парусов существенно уменьшается, яхта за счет удаления водяного балласта становится на полтонны легче и при благо приятных условиях выходит на глиссирование, развивая свыше 10 узлов.
В последние годы бортовые балластные цистерны широко применяют и на более крупных океанских гоночных яхтах, участвующих в кругосветных гонках одиночек «ВОС» и «Глоб Челлендж», в гонках через Атлантику и Тихий океан. Для всех этих яхт характерна большая ширина по палубе, позволяющая максимально разнести балластные цистерны и получить за счет этого наибольший восстанавливающий момент. Недаром яхтсмены прозвали такие суда "авианосцами под парусами". Бортовые цистерны разрешены и на новом 60-футовом классе яхт для кругосветной гонки «Уитбред Рейс».
Примечания
1. Понятия о метацентрических высоте и радиусе, поперечной остойчивости рассматриваются, например, в «Справочнике по катерам, лодкам и моторам», Л., «Судостроение», 1982, или в «Школе яхтенного капитана». М., 1983, «ФиС».