А утомительная лавировка против течения на реке или узком фарватере, когда, сделав два галса, парусник вновь возвращается в исходную точку? Ее можно избежать, сменив паруса на двигатель. Он же поможет оторваться от настигающего шторма и вовремя укрыться в порту-убежище.
За парусом же остаются такие неоспоримые преимущества, как отсутствие шума, вибрации и выхлопных газов от работающего двигателя, использование для движения даровой энергии ветра, полная независимость от пунктов заправки горючим.
Однако проблема не ограничивается установкой на глиссирующий катер мачты, оснащением се такелажем и парусами. Конструктору предстоит решить еще несколько далеко не простых задач, связанных с безопасностью плавания, эффективностью использования и двигателя, и парусов.
Сразу же следует заметить, что получить из глиссирующего катера полноценный парусник, так же как и добиться глиссирования парусной яхты под двигателем, практически невозможно. Создавая компромисс, конструктору чаще всего приходится поступиться ходовыми качествами судна под парусами. Цена их приобретения оборачивается слишком большими потерями скорости и экономичности эксплуатации судна под двигателем. Именно поэтому среди капитанов и владельцев моторно-парусных яхт сравнительно редко встречаются истинные приверженцы плавания под парусами, которые все-таки предпочитают "настоящие" яхты, пусть и снабженные достаточно мощными вспомогательными двигателями.
Обозначим более конкретно основные задачи, которые предстоит решить конструктору катера-парусника.
Упор гребного винта, движущий катер, действует в диаметральной плоскости судна и направлен в сторону его движения. В небольших пределах можно изменять ходовой дифферент катера, изменяя угол наклона гребного вала. Крен же. возникающий под влиянием вращения гребного винта, обычно столь незначителен, что не требует специальных конструктивных мер но его компенсации.
Иное дело — движущая сила парусов или тяга Т. Во-первых, она приложена к парусам на достаточно большой высоте над ватерлинией. Во-вторых, она является составляющей аэродинамической силы А, направленной примерно перпендикулярно парусу и в несколько раз превышающей силу тяги, совпадающую с направлением движения1. Второй составляющей является сила дрейфа D, направленная перпендикулярно курсу судна. Она вызывает крен судна на подветренный борт и его боковой снос — дрейф под ветер. В подводной части корпуса силе дрейфа противодействует равная ей по величине, по противоположно направленная сила сопротивления дрейфу HD. Эти две силы создают крепящий момент МКР, который уравновешивается восстанавливающим моментом МВ, возникающим при крене от пары сил — веса Р (водоизмещения) и плавучести судна V.
При плавании в бейдевинд — под острым углом к направлению ветра — сила дрейфа примерно в 3 раза превышает силу тяги; на галфвинде (90° к ветру) обе силы имеют одинаковую величину; на кругом бакштаге (135° к ветру) сила тяги оказывается в 2-3 раза больше силы дрейфа, а при чисто попутном ветре — на фордевинде — сила дрейфа практически равна нулю.
Для примера приведем значения силы дрейфа и кренящего момента, действующих на яхточке "Катран" (см. статью в номере), которая идет курсом бейдевинд со скоростью около 6 узлов (11 км/ч): D=110 кгс; МКР=430 кгс·м. Такой момент создают, например, 4-5 человек, если они встанут на самый край палубы. К этому нужно добавить и динамический эффект действия ветра, резко увеличивающего свою скорость на порывах, когда креп судна может превысить опасную величину.
Ясно, что простое откренивание массой экипажа, который в отличие от спортсменов, может оказаться недостаточно тренированным, уже не может противостоять кренящему моменту и необходимо принять конструктивные меры.
В самом простейшем случае обычный глиссирующий корпус катера снабжают невысоким, но достаточно развитым килем, плавно вписывающимся в обводы днища. В нижней части киля размещается металлический балласт в виде литого фальшкиля массой 15-20% от водоизмещения катера либо уложенных в корпус мелких отходов штамповки, дроби и т.п., залитых эпоксидным компаундом.
Балласт позволяет снизить центр тяжести судна и повысить одну из составляющих поперечной остойчивости — остойчивость веса. Большая ширина (соотношение L/B=2.5-3) и высокий надводный борт, присущие глиссирующим катерам, обеспечивают и вторую составляющую — остойчивость формы, т.е. возможность достаточного смешения в сторону подветренного борта точки приложения силы плавучести при крепе.
Этот способ обеспечения необходимой для плавания под парусами остойчивости и одновременно бокового сопротивления дрейфу предпочли использовать в проекте моторного парусника "Ямаха-27МБ" японские конструкторы. Судно не имеет ни швертов, ни водяных балластных цистерн и т.п. и не требует от экипажа каких-либо действий кроме постановки или уборки парусов при смене режима движения. Однако очевидны и недостатки такого простейшего решения: при движении под мотором балласт становится бесполезным грузом, часть мощности двигателя затрачивается на преодоление дополнительного сопротивления трения, обусловленного смоченной поверхностью киля. При нагрузке 28.5 кг/л.с. экипаж этого судна может рассчитывать лишь на переходный к глиссированию режим движения с несколько большим расходом горючего на пройденный километр, чем на "чистом" катере.
Очевидно, что, имея широкий корпус с плоским днищем в корме и погруженным в воду транцем, "Ямаха-27 MS" при ходе под парусами явно проигрывает парусной яхте в скорости и крутизне лавировки. К тому же, заботясь о безопасности плавания конструкторы снабдили судно парусами умеренной площади — всего 18.9 м2 (или 8.8 м2 на тонну водоизмещения). Заметим, что это вполне оправдано: наверняка мысль поднять паруса появляется у экипажа катера преимущественно в свежий ветер, и было бы неразумно заставлять его одновременно брать рифы, чтобы избавиться от чрезмерного крена.
Другая проблема, связанная с использованием энергии ветра для движения судна, это нестабильность силы тяги парусов, изменяющейся в зависимости от скорости ветра и курса судна относительно него. Если гребной винт на катере рассчитывается на строго определенную мощность, развиваемую двигателем, и соответствующую скорость движения, то оба эти элемента для парусной яхты изменяются в довольно широких пределах. Скорость, например, изменяется от минимальной до максимальной
теоретически достижимой на прогулочной яхте (L — длина яхты по ватерлинии). Для шести метро вой яхты эта предельная скорость, когда судно пытается взобраться на гребень созданной им носовой волны, равна 7.3 уз (13.5 км/ч). Кривая зависимости сопротивления воды движению яхты от скорости резко поднимается вверх, и мощности, развиваемой парусами, оказывается недостаточно, чтобы судно перешло на качественно новый режим движения — глиссирование. (Напомним, что глиссирующие парусники существуют, но это преимущественно гоночные лодки, имеющие облегченную конструкцию и вооруженные парусами площадью не менее 15 м2 на каждую тонну водоизмещения).
Таким образом, реально речь может идти о плавании катера под парусами преимущественно в водоизмещающем режиме, когда оптимальны круглоскулые обводы корпуса с плавно сужающейся к корме ватерлинией и подъемом батоксов к поверхности воды. На меньших скоростях, соответствующих водоизмещающему режиму, катер с глиссирующими обводами (широким погруженным в воду транцем; линиями батоксов в корме, параллельными поверхности воды; большой шириной глиссирующего участка днища) имеет повышенное сопротивление из-за увеличенной смоченной поверхности и понижения гидродинамического давления ("засасывания") за транцем. Другими словами, конструктор глиссирующего катера не может рассчитывать на достижение под парусами таких скоростей, которые реальны на специально спроектированной для этого яхте.
С другой стороны, не приблизив характер обводов яхты к "катерным", рассчитанным на движение с высокой скоростью, нельзя заставить ее глиссировать, даже если будет установлен мощный двигатель. Так что, создавая моторный парусник, конструктор должен либо разработать корпус такой специальной формы, чтобы потери скорости были минимальными при обоих режимах движения, либо предусмотреть возможность изменения обводов при смене парусов на мотор и обратно.
Чаше всего преимущество отдается ходовым качествам моторно-парусной яхты при плавании под двигателем. Это хорошо видно, например, в проекте американской трейлерной (перевозимой на прицепе за легковым автомобилем) яхты "Мак-Грегор 19". Ее пластмассовый корпус с умеренной килеватостью днища (17° на траппе) внешне ничем не отличается от обычной мотолодки с подвесным мотором. Нормальным для лодки считается 40-сильный мотор, под которым она развивает 46 км/ч, т.е. несколько меньше, чем плоскодонный катер, но зато благодаря килеватому днищу возможно экономичное плавание с мотором мощносгыо 8-10 л.с. Корпус с такими обводами обладает несколько меньшим сопротивлением воды движению под парусами, чем глиссирующий плоскодонный с погруженным транцем.
Конструкторы постарались избавиться от тех существенных недостатков, которые отмечались выше для "Ямахи-27М5": излишнего водоизмещения, обусловленного применением твердого балласта, и увеличенной смоченной поверхности корпуса из-за развитого киля. Здесь для повышения остойчивости используется водяной балласт, который принимается при постановке парусов в цистерну, расположенную под пайолами каюты. Объем этой цистерны — 360 л; она заполняется самотеком через клапан, установленный в транце, за 3 минуты. Водоизмещение яхты под парусами и с водяным балластом — 860 кг, гак что масса балласта при четырех человеках на борту составляет около 30% полного водоизмещения. При переходе на движение под мотором балластная цистерна2 осушается сначала при помощи помпы, а затем — при выходе на глиссирование — самотеком через открытый клапан в транце.
При ходе под парусами увеличение площади бокового сопротивления, необходимое для противодействия дрейфу, обеспечивается за счет вращающихся шверта и пера руля, которые при движении под мотором полностью поднимаются из воды.
Еще одна особенность этого проекта — более обтекаемая форма рубки, чем это принято в современном катерном дизайне. Это сделано для снижения воздушного сопротивления надводной части при лавировке под парусами. Площадь парусности с генуэзским стакселем составляет 21.7 м2, благодаря чему яхточка обладает неплохими ходовыми качествами и в умеренный ветер. Применена простая в управлении оснастка с "автоматическим" стакселем площадью 5.3 м2, который не требует постоянной работы со шкотами при лавировке. Грот снабжен сквозными латами, что позволяет увеличить жесткость паруса и добиться его эффективной работы на уменьшенных углах атаки к вымпельному ветру. Это важно при совместном использовании парусов и маломощного мотора, когда паруса помогают развить более высокую крейсерскую скорость и снизить расход горючего на пройденный километр.
Установка подвесного мотора на моторно-парусной яхте облегчает решение такой задачи, как избавление от тормозящего движения гребного винта на ходу под парусами. Достаточно откинуть мотор полностью от транца, чтобы его подводная часть вышла из воды и не оказывала сопротивления движению яхты. Следует, однако, помнить о недостатках самого подвесного мотора, в частности, о его плохой защищенности от волны и различного рода повреждений, например при швартовках. Если мотор устанавливается на яхте с водяным балластом, то при приеме балласта осадка ее может увеличиться на 100-150 мм. Соответственно ниже опустится и поддон подвесного мотора, оказавшись всего в 250-300 мм над водой. Поэтому важно в таких случаях использовать моторы с удлиненным дейдвудом либо крепить их на кронштейне с регулируемой высотой подмоторной доски, как это делается, например, на мотолодках на подводных крыльях.
Интересен опыт превращения бывшего 6.5-метрового быстроходного морского катера в моторный парусник "Спид Демон", проделанный лет двадцать назад не без участия знаменитого Раймонда Ханта — конструктора первых глиссирующих катеров с обводами "глубокое V". Для того, чтобы получить приемлемые ходовые качества пол парусами, к транцу катера пристроена секция длиной 1.8 м. Новый транец расположен, как на паруснике, над ватерлинией, а обводы днища дополнительной секции выполнены с плавным подъемом батоксов к ватерлинии. 125-сильный "Меркюри" остался на прежнем транце в специальном колодце, смонтированном в пристроенной секции корпуса. На днище закрепили яхтенный бульбкиль массой 530 кг (впоследствии его сделали частично втягивающимся в колодец при помощи гидравлических цилиндров); на транец навесили швертботный руль с пером увеличенной площади. Установили нормальное яхтенное вооружение с парусами площадью 29.6 м2 с топовым стакселем.
Для облегчения выхода на глиссирование и движения в этом режиме в кормовой части днища установлены управляемые транцевые плиты с гидравлическим приводом. При плавании под парусами шипы поджимаются к корпусу и утапливаются в специальных нишах. При плавании под мотором плиты отклоняются так, чтобы лодка получала оптимальный дифферент, а поток воды отрывался от кормовой части днища и уменьшалась смоченная поверхность. При скорости около 27 км/ч из-под плит вырывались два мощных "петуха" брызг и двухтонная яхта глиссировала как заправский катер.
Нетрудно убедиться в том. что в данном случае конструктор сделал акцент в сторону ходовых качеств яхты под парусами, принеся в жертву скорость и управляемость под мотором. Но несмотря на успех эксперимента о серийном строительстве этого оригинального судна в последующие годы сведений не имеется.
Идея использования для моторно-парусных судов корпусов с изменяемой геометрией днища (именно к этому классу можно отнести и корпус "Спид Демона") получила дальнейшее развитие в проектах итальянца Ренато Леви и англичанина Яна Андерсона. О работе над этими проектами авторы рассказали на страницах "КиЯ" №81 и №112; здесь же напомним об основных решениях проблем, связанных с ходкостью и остойчивостью.
Корпус "V-5" имеет типичный для гоночных катеров Р. Леви профиль с сильно подрезанным обводом форштевня. Линия скулы выходит из волы у транца, как на парусных яхтах, рассчитанных на водоизмещаюшее плавание; поднимается к ватерлинии и линия киля. Большая часть корпуса имеет глиссирующие обводы с килеватостью днища около 23°, но для повышения поперечной остойчивости при плавании под парусами у скулы предусмотрены широкие (около 1/6 ширины корпуса) горизонтальные участки. Кроме того, бортам в надводной части придан значительный развал наружу.
На скорости 30 км/ч под двумя дизелями"Фиат С.Р.З." мощностью до 240 л.с. поток воды под днищем обрывается на невысоком поперечном редане. К этому редану на шарнирах закреплены две большие управляемые плиты, которые в опущенном положении служат продолжением глиссирующих поверхностей днища, а при плавании пол парусами поднимаются и поджимаются к корпусу, плавно вписываясь в водоизмешаюшие яхтенные обводы; в этом случае вода плавно обтекает корпус без отрыва и завихрений на кормовых кромках реданов.
Для повышения остойчивости в корпус принимается водяной балласт массой 1 т (около 15% водоизмещения); кроме того, под пайолами располагаются цистерны с запасом топлива (700 л) и пресной воды (250 л). Сопротивление дрейфу обеспечивается за счет шверта обтекаемого поперечного сечения, на ходу под двигателями убирающегося в колодец внутри корпуса.
Поскольку в данном случае режим плавания под мотором был основным, яхта снабжена эффективными гребными винтами диаметром 430 мм. Под парусами такие винты оказали бы сильное тормозящее действие, если бы Р. Леви не установил их в нишах, устроенных в кормовой части днища. Благодаря уменьшенной скорости потока воды за срезом передней стенки ниши, сопротивление гребных винтов удалось заметно снизить. К тому же, они работают подобно полупогруженным винтам, располагаемым за транцем катера, и поэтому имеют больший шаг и малую площадь лопастей, что также благоприятно сказывается на снижении сопротивления воды.
Характерно и парусное вооружение "V-5" с короткой мачтой и широкими парусами. К положительным его характеристикам можно отнести: низкое расположение центра парусности, а значит, и уменьшенный креняший момент; большую величину тяти парусов на попутных курсах; облегченные рангоут и стоячий такелаж, которые, к тому же, обладают пониженным воздушным сопротивлением при плавании под мотором.
Разумеется, аэродинамическое качество таких парусов, а следовательно. и тяга на курсе бейдевинд, уступает парусам с традиционным для яхт соотношением длин передней и нижней шкаторин. О вспомогательном значении парусов свидетельствует и их сравнительно небольшая площадь — 49.5 м2 (всего 6.6 м2 на тонну водоизмещения).
В проекте многоцелевой крейсерской яхты "MRCB" Я.Андерсон применил тот же принцип корпуса с изменяемой геометрией, по акцент сделал уже в пользу ходовых качеств под парусами. 11-метровый корпус яхты имеет круглоскулые обводы, характерные для водоизмещающих парусных судов — с заостренной носовой оконечностью и плавным подъемом батоксов к ватерлинии в корме. Оснащенная шлюпом с топовым стакселем (общая площадь лавировочных парусов 53.3 м2 или 10.7 м2 на тонну водоизмещения) яхта развивает скорость 7.5 уз на курсе бейдевинд. Необходимая остойчивость обеспечивается значительной шириной корпуса, высоким надводным бортом и утяжеленным балластированным швертом обтекаемого профиля. Осадка с опущенным швертом увеличивается с 0.5 до 2.2 м. Двигатель "Вольво-Пента" мощностью 165 л.с. с поворотной откидной колонкой установлен таким образом, что на ходу под парусами колонка с гребным винтом может быть откинута вверх (в нишу, отформованную в корпусе), чтобы не оказывать сопротивления движению судна.
При переходе на плавание под двигателем шверт убирается в колодец, перо руля — в полый баллер, с помощью гидравлики из днища выдвигаются два объемных клина. Их нижние поверхности располагаются под определенным углом атаки к потоку, обтекающему днище, а кормовые торцы образуют реданы, от острых кромок которых происходит отрыв потока от днища. Под действием гидродинамических подъемных сил, возникающих на нижних поверхностях клиньев, корпус яхты подвсплывает и глиссирует на укороченной длине, с минимальной смоченной поверхностью.
Интересную попытку создать моторно-парусную яхту с двухрежимными обводами предприняли японские судостроители фирмы "Ямаха". Днище лодки было спроектировано в виде глиссирующей пластины малой килеватости с острой скулой, которая рас-полагалась на некотором расстоянии от основного корпуса, также имеющего острую скулу и транец и рассчитанного на переходный режим движения. Для уменьшения смоченной поверхности и плавного обтекания корпуса при плавании под парусами с малой скоростью, глиссирующая пластина сильно сужалась в кормовой части, так же как и переходная часть от пластины к основному корпусу.
Мощный 55-сильный подвесной мотор "вытаскивал" это оригинальное суденышко на глиссирование со скоростью 39 км/ч на днищевой пластине, как обычный катер. При крейсерской скорости 30 км/ч "MS-21" проходит 45 км, расходуя 25 л горючего. Управление яхтой осуществлялось за румпель при помощи двух рулей швертботного типа, навешенных на транец по обе стороны от подмоторной ниши. При плавании под мотором для уменьшения смоченной поверхности перо одного из рулей поднималось вверх, шверт убирался в колодец (при помощи электро-гидравлической лебедки с дистанционным управлением из кокпита).
При полном водоизмещении 1000 кг яхта вооружена 13.9 м2 основных парусов. Правда, в легкий ветер за счет постановки генуэзского стакселя площадью 10.3 м2 можно увеличить парусность до 16.7 м2, а на попутных курсах ставится спинакер. Остойчивость под парусами обеспечивается, вероятно, за счет балластированного шверта.
Лодка идет довольно круто к ветру и имеет при этом дрейф менее 3°.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают попыток конструкторов совместить качества глиссирующего катера с парусной яхтой. Очевидно, что большие возможности в этом направлении представляют многокорпусные суда — катамараны и тримараны. Обладая высокими гидродинамическими качествами (за счет большого удлинения корпусов), многокорпусные суда позволяют обеспечить высокую остойчивость, не обращаясь к помощи балласта, который становится бесполезным грузом при движении в режиме моторного катера.
Примечания
1. Более подробно с этим вопросом можно ознакомиться но книгам Ч.Мархай "Теория плавания под парусами" (М.. "ФиС". 1960) и "Школа яхтенного капитана" (М.. "ФиС". 1983).
2. Подробно об использовании водяного балласта на катерах и яхтах — см. "КиЯ" №156.