Испытания катамарана «Альбатрос» в аэродинамической трубе

Давно ушли в прошлое времена, когда конструктор самолета выпускал свое детище в первый полет, не зная его конкретных аэродинамических характеристик. Наличие разнообразных методов расчета, тщательно обоснованная теория моделирования и развитая экспериментальная база позволяют еще на стадии проектирования прогнозировать характеристики летательного аппарата и практически избавиться от неожиданностей, возникающих на этапе доводки и испытаний.

У конструктора же парусных судов возникает целый ряд проблем, которые весьма образно охарактеризовал профессор Е. И. Ричардс — руководитель аэродинамического отдела Саутгемптонского университета. В своем выступлении на открытии международной конференции, посвященной проблемам парусного спорта, он сказал: «Проектирование яхт сегодня больше всего похоже на роман с женщиной. Поскольку теория не разработана, остается только эмпирический подход. В конце концов, даже если мужчина может похвастаться успехом на этом поприще, он чаще всего не имеет никакого понятия о подлинных причинах его успеха».

Действительно, для оценки гидроаэродинамических характеристик проектируемой яхты конструктор располагает только грубыми эмпирическими формулами или, в лучшем случае, результатами испытаний малоразмерных моделей в гидролотках или аэродинамических трубах небольшого размера. Перенести результаты подобных испытаний на натуру затруднительно, поэтому оценка получается скорее качественной, чем количественной.

При испытании небольших моделей парусников практически нереально получить ответы на такие вопросы, как например, изменение характеристик паруса, обусловленное эластичностью его материала, определение нагрузок в рангоуте и такелаже в условиях их реальных деформаций, исследование аэродинамической интерференции между элементами яхты и т. п. В то же время очевидно, что достоверная количественная информация об аэродинамических характеристиках реального парусного судна позволила бы конструктору принимать более обоснованные и оптимальные решения, а рулевому заметно упростила выбор наиболее эффективной тактики ведения гонки.


Идея создания на базе уникальных экспериментальных установок Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) стенда для испытаний натурных конструкций парусных яхт родилась и окончательно оформилась в парусном клубе г. Жуковского не случайно. Большинство членов клуба по роду своей деятельности имеет непосредственное отношение к авиации, а следовательно, реально представляет возможности получения достоверной информации об аэродинамике яхты при помощи экспериментальных установок, имеющихся в авиационной промышленности. Так в НИО-1 ЦАГИ появился стенд для испытаний натурных парусных судов, а первые эксперименты на этом стенде были проведены на катамаране «Альбатрос».

В нашем распоряжении была аэродинамическая труба Т-101, которая является самой крупной в Европе, используемой для испытания летательных аппаратов в «дозвуковом» диапазоне скоростей от 0 до 50 м/с. Открытая рабочая часть, где размещается объект испытаний, характеризуется следующими размерами; сопло трубы имеет форму эллипса с осями 24 и 14 м; расстояние между соплом и диффузором — 24 м. Здесь без труда разместится яхта длиной 8—10 м при высоте мачты 10—12 м. Если же размеры яхты превышают габариты рабочей части, возможно, в принципе, использовать один из двух обратных каналов трубы с поперечным сечением 25—30 м, где скорость потока примерно вдвое ниже, по сравнению с рабочей частью трубы.

Аэродинамическая труба оснащена шестикомпонентными весами, позволяющими измерять три компонента силы, действующей на испытываемый объект, и одновременно определять их моменты относительно трех взаимно-перпендикулярных направлений. Эти весы установлены в кабине, которая может вращаться относительно вертикальной оси на 360°. Весы с погрешностью 0,5% позволяют измерять силу сопротивления до 2500 кгс, а боковую силу до 2000 кгс. Многоканальная информационная система обеспечивает сбор данных на магнитные носители с последующей передачей для обработки на ЭВМ. Кроме того, имеется возможность в процессе испытаний производить кино- или видеосъемку с различных ракурсов.


При проектировании стенда для испытаний парусных судов требовалось обеспечить имитацию водной поверхности, исключить влияние на аэродинамические характеристики частей яхты, находящихся ниже ватерлинии, и гарантировать получение кондиционных данных при любом (от 0 до 360°) расположении яхты относительно набегающего потока. Кроме того, была предусмотрена определенная система мер безопасности, позволяющая экипажу находиться на борту судна в процессе испытаний.

В качестве объекта испытаний было решено использовать серийно выпускаемый разборный катамаран «Альбатрос», который является одним из самых многочисленных типов туристских судов в г. Жуковском. В частности, нам хотелось оценить эффективность и целесообразность модификаций, которые были осуществлены членами клуба.

Катамаран «Альбатрос» вооружен шлюпом с гротом типа «Стриж», общей площадью парусов 7,4 м². На нашем катамаране стаксель вставлялся в ликпаз штаг-пирса и поднимался на 25— 30 см выше штатного положения. Грот не имел тросовых булиней по задней и нижней шкаторинам, а самодельный гик с несколько измененным профилем изгиба был оснащен топенантом, позволяющим изменять угол установки его в вертикальной плоскости.

При подготовке к испытаниям на гроте параллельно передней шкаторине были нашиты несколько рядов темных «колдунчиков», позволяющих наблюдать за характером обтекания паруса и идентифицировать момент и место отрыва потока. В штаг, наветренную ванту и гика-шкот были вставлены тензокольца для измерения нагрузок на соответствующую часть такелажа. Шкоты были заменены нетянущимися тросами с маркировкой, позволяющей обозначить углы установки грота или стакселя в процессе эксперимента.


Испытания проводились на левом галсе при различных скоростях набегающего потока. Направление вымпельного ветра (угол между осями трубы и катамарана) изменялось в интервале 25—180°, экипаж состоял из двух человек и располагался в кокпите. Поскольку основной целью испытаний были проверка работоспособности стенда и отладка методики испытаний яхт, задача моделирования ветрового профиля потока не ставилась и скорость набегающего потока была однородной по всей его площади. Катамаран устанавливался на стенде с нулевым креном и дифферентом. Исследовались различные комбинации парусного вооружения (включая штормовое и отсутствие парусов) и варианты установки обвесов кокпита катамарана.

Объем настоящей статьи не позволяет привести результаты исследований в полном объеме — подробную информацию можно получить у спонсора настоящей работы — НПО «Аэродинамика» (140160, г. Жуковский, ул. Фруизе. 23). Здесь приводятся характерные с нашей точки зрения графики, позволяющие представить возможности созданного стенда, оценить величину сил и моментов, действующих на катамаран в различных ситуациях.

Результаты испытаний представлены в связанной с катамараном системе координат, начало которой находится у степса мачты, ось X направлена в корму, ось У — вверх по мачте, а ось Z — в сторону правого борта. Вращающий момент относительно соответствующей оси считается положительным в случаях, когда вращение направлено против часовой стрелки, если смотреть вдоль выбранной оси в начало координат.

Безразмерные коэффициенты сил (С_x, С_y, С_z) и моменты (M_x, M_y, M_z) вычислялись по общепринятым в аэродинамике зависимостям:



где F_x,y,z — проекция на ось X, Y или Z силы, действующей на катамаран (Н);
ρ — массовая плотность воздуха (кг·с²/м⁴);
v — скорость набегающего потока (м/с);
S — характерная площадь (в настоящей статье S=1 м²);
M_x,y,z — момент относительно оси X, У или Z (НМ);
L — характерная длина (в настоящей статье L=4,6 м для M_x и M_y и L=1,6 м для M_z).

При подготовке иллюстративного материала для настоящей статьи величина характерной площади S = 1 м² была выбрана не случайно. Это сделано для того, чтобы максимально упростить пересчет значений безразмерных коэффициентов в реальные силы и моменты, действующие на катамаран при различных вариантах парусного вооружения и на различных скоростях ветра.

Действительно, достаточно умножить значение любого безразмерного коэффициента силы на величину скоростного напора 0,5ρv², где ρ=1,222 кг·с²/м⁴ и разделить на 9,8, чтобы получить действующую на катамаран силу, измеренную в кгс. Аналогично определяются и размерные значения (в кгс·м) моментов, если дополнительно умножить величину безразмерного момента силы на соответствующую характерную длину L.

В процессе испытаний катамарана регистрировались нагрузки, возникающие в такелаже, а также производилась видеосъемка, позволяющая получить дополнительную информацию о характере обтекания парусов и поведении конструкции катамарана на различных режимах.

Маркерами на приводимых графиках отмечены экспериментальные точки, а сплошная линия соответствует результатам сглаживания данных эксперимента с помощью метода сплайн-аппроксимации. Для облегчения восприятия читателем графиков приводим таблицу, качественно характеризующую влияние на катамаран каждого из шести безразмерных коэффициентов сил и моментов.



Следует иметь в виду, что приведенные в статье результаты соответствуют фиксированному — независимому от угла вымпельного ветра положению парусов относительно оси катамарана, т. е. не оптимальной (за исключением одной или нескольких точек) настройке парусов. Выбор оптимального расположения парусов на заданном курсе возможен только после совместного анализа группы однотипных кривых, полученных при различных углах установки парусов.

С целью иллюстрации информативности проведенных испытаний можно привести ряд выводов, которые, надеемся, будут полезны владельцам «Альбатросов».

Если обратиться к графикам, то нетрудно видеть, что на курсе крутой бейдевинд (Bt<50°) величина тяги C_x и сила дрейфа C_y практически не зависят от того, поднят стаксель или нет. Однако не стоит обольщаться мыслью оставить на острых курсах только грот, так как стаксель существенно влияет на балансировку катамарана (см. график M_y) и при его отсутствии приходится компенсировать дополнительно возникающий приводящий момент M_y путем увеличения угла поворота руля, вследствие чего уменьшается скорость. Хотя при этом возникающая сила C_z на руле будет иметь отрицательное значение, а значит, будет уменьшать дрейф судна под ветер, катамаран из-за этого становится статически неустойчивым на курсе, будет рыскать, особенно в условиях волнения и сильного ветра.

При резком усилении ветра, когда возникают опасения за целостность конструкции или остойчивость катамарана, предпочитают убирать стаксель, считая, что иначе катамаран потеряет способность идти в лавировку. Однако, сравнивая аэродинамические характеристики «Альбатроса» под одним стакселем и только под гротом, можно достаточно уверенно рекомендовать при необходимости уменьшения парусности начинать с грота. При этом резко уменьшаются сила дрейфа C_z и опрокидывающий момент M_x, а соответственно и нагрузки на конструкцию. Поскольку на острых курсах величина момента M_y при наличии только стакселя практически равна нулю, существенно уменьшается угол перекладки руля и, следовательно, заметно повышается устойчивость катамарана на курсе.

О сильном уваливании под ветер не стоит говорить всерьез, так как для «Альбатроса» момент M_y во всем диапазоне углов Bt положительный или имеет незначительные отрицательные значения. Другими словами, катамаран в основном слабо приводится к ветру, а не уваливает. Тяга стакселя C_x уже при угле вымпельного ветра Bt=40° направлена в нос, а значит можно смело утверждать, что «Альбатрос» пойдет в лавировку под одним стакселем.

Правда, при неудачно сшитом стакселе (например, когда задняя шкаторина сильно заворачивается на ветер) или при слабо набитом штаге это оказывается невозможным. На полных курсах при сильном ветре, естественно, наиболее безопасно идти только под одним стакселем, так как любой шквал легко парируется путем уменьшения эффективной парусности за счет потравливания шкотов.

При анализе аэродинамических характеристик катамарана без парусов целесообразно обратить внимание на два факта. Во-первых, начиная примерно с угла Вt=100° появляется направленная вперед тяга C_x, т. е. катамаран уверенно идет курсом крутой бакштаг. Во-вторых, кренящий момент M_x во всем диапазоне углов вымпельного ветра отрицательный, т. е. под «голым» рангоутом «Альбатрос» из-за специфической конструкции своего корпуса (наличие наклонных обвесов кокпита, примыкающих непосредственно к поплавкам) имеет тенденцию крениться на ветер.

Результаты испытаний показывают, что штормовой грот, спроектированный и изготовленный в парусном клубе г. Жуковского, оказался достаточно эффективным. Несмотря на очень малую площадь (S=1,25 м²) этот парус уже на угле Bt=55° обеспечивает тягу C_x, направленную вперед. При этом нагрузки на конструкцию катамарана незначительно отличаются от случая, когда паруса на мачте отсутствуют, а значение опрокидывающего момента M_x по абсолютной величине даже меньше. Последнее объясняется тем, что корпус катамарана и штормовой грот создают примерно одинаковые моменты, но разного знака, а значит в определенной мере компенсируют друг друга.

Опыт соревнований показывает, что при сильном ветре лавировка под штормовым гротом в сочетании со стакселем более эффективна, по сравнению с одним гротом, хотя парусность при этом примерно на 2 м меньше. Практика походов также убедила членов нашего клуба в целесообразности иметь на борту штормовой парус в качестве штатного оснащения.

Проведенные испытания подтвердили работоспособность созданного стенда, продемонстрировали высокую точность получаемых результатов и позволили сделать конкретные и разносторонние выводы о характеристиках испытанного судна.

Можно смело утверждать, что натурные испытания подобного типа дадут конструкторам высокоэффективных парусных яхт, особенно — создаваемых для ответственных гонок, уникальную информацию при относительной ее дешевизне.