Для начала вспомним, какие основные функции выполняет подводная часть парусной яхты. Она создает:
- силу (статическую или динамическую) поддержания судна на поверхности воды;
- восстанавливающий момент для противодействия кренящему моменту от парусов;
- силу сопротивления дрейфу, вызываемому поперечной силой, возникающей на парусах.
К тому же, подводная часть несет устройства управления судном — и при всем при том она должна оказывать минимальное сопротивление движению.
На первых яхтах все эти задачи выполнял корпус судна с навешенным на ахтерштевень пером руля. Плавучесть-то он обеспечивал, но вот все остальное... Корпус был узкий, балласт укладывался в трюм, что затрудняло обеспечение должной остойчивости. Форма корпуса с малым удлинением также была далека от оптимальной.
Все это вынудило проектировщиков отойти от традиционной конструкции парусного судна для повышения ходовых качеств. Конструкторы стали поступать по хорошо известному принципу: "разделяй и властвуй", что в данном случае означает: "различные функции должны выполнять разные устройства". Правда, процесс такого разделения еще до сих пор не закончен. Кратко рассмотрим "магистральный" путь развития подводной части парусных килевых яхт (швертботы, компромиссы и многокорпусники остаются за рамками данного обзора).
Первоначально в отдельный элемент был выделен балласт, который стали располагать вне корпуса в фальшкиле, что снижало расположение ЦТ и повышало остойчивость. Балласт заглубляли все сильнее, попутно увеличивая гидродинамическое удлинение подводной части корпуса. Это было время яхт с S-образными шпангоутами, причем некоторые из них дожили и до наших дней (например, "Л-6" и "Дракон".
Постепенно балласт заглубили настолько, что практически весь водоизмещающий объем сконцентрировался у миделя, куда сдвинулось и перо руля. Это никак не способствовало улучшению управляемости, и тогда произошел скачок: руль отделили от фальшкиля. Благодаря этим мерам подводную часть яхты стало возможным проектировать как комплекс трех устройств: корпуса, руля и фальшкиля, которые можно оптимизировать для наилучшего выполнения ими своих функций.
Такую конструкцию сейчас имеет большинство современных килевых яхт. Из новых веяний можно отметить применение бульбкилей, позволяющих максимально заглубить балласт, и их качающиеся модификации, с помощью которых можно эффективнее откренивать яхту. Однако плавник до сих пор еще выполняет две функции: создает восстанавливающий момент и противодействует дрейфу. И хотя он неплохо справляется со своими обязанностями, еще не исчерпаны все возможности повышения эффективности гидродинамического комплекса современной парусной килевой яхты.
В последнее время все большее распространение получают яхты с относительно широкой кормой, способствующей серфингу, и с обводами, близкими к радиальным или U-образным. В сочетании с этими корпусами используются в основном бульбкили с плавниками большого удлинения. Данный комплекс, однако, имеет ряд недостатков:
- при ходе яхты с креном плавник, установленный в ДП, начинает работать с отрицательным углом атаки, и, следовательно, не противодействует дрейфу, а способствует ему (рис.1);
- большое заглубление балласта на плавнике приводит к низкому положению центра бокового сопротивления (ЦБС), что увеличивает плечо кренящего момента, действующего на судно. Получается, что, увеличивая плечо восстанавливающего момента, конструктор одновременно увеличивает и плечо кренящего момента1;
- яхта не всегда идет острыми курсами, когда необходимо устройство для предотвращения дрейфа. На полных курсах плавник зачастую превращается в тормоз;
- парусной килевой яхте требуется повышение поперечной остойчивости, продольная же в большинстве случаев и так в избытке. Но современный киль увеличивает и продольную остойчивость, приводя к возрастанию продольного момента инерции, увеличивающего дополнительное сопротивление при ходе против волны. Не зря конструкторы стремятся сосредоточить все массы у миделя яхты и максимально облегчить оконечности — но и при этом такую существенную часть массы яхты приходится подвешивать под корпусом яхты на значительном плече.
Возможно, пришло время разделить и эти функции с тем, чтобы поручить создание восстанавливающего момента и противодействие дрейфу различным устройствам, каждое из которых будет эффективнее решать эти задачи — как следствие, эффективность всего гидродинамического комплекса яхты должна возрасти.
Функцию противодействия дрейфу можно возложить на хорошо известный шверт, а лучше — на комбинацию швертов, особенно выигрышную на яхтах с широкой кормой, у которых при крене направление ватерлинии не совпадает с ДП (рис. 2). Два шверта с несимметричным профилем для разных галсов, установленные в нужном направлении, возможно уже с начальным углом атаки, дадут большой выигрыш в эффективности — особенно на малых углах атаки. Это позволит судну идти практически без дрейфа, что значительно сократит потери на индуктивное сопротивление корпуса. Большая же эффективность каждого отдельного шверта позволит уменьшить их площадь и заглубление, что соответственно уменьшит сопротивление самих швертов. Шверты позволят также регулировать центровку, что упрощает настройку под разные условия и облегчает управление яхтой. Однако шверты в отличие от фальшкилей имеют свои недостатки: они представляют собой еще один объект управления, их колодцы загромождают помещения яхты и требуют наличия специальных отверстий в подводной части корпуса. Но преимущества, которые может дать использование швертов, на мой взгляд, перевешивают их недостатки — не зря же процесс их внедрения на килевых яхтах открытого моря уже идет. Пионерами здесь, как и во многом другом, являются яхты класса "Open 60" и их "младшие сестры" меньшей длины. Впервые именно на этих судах появились кормовые шверты для смещения ЦБС в корму и повышения курсовой устойчивости на полных курсах ("Credit Agricole"), затем — маленькие швертики в носовой части для регулировки центровки ("TBS", "PRB"). И только на новых яхтах меньших размерений (15 и 12 м) шверты стали использоваться как основное средство противодействия дрейфу ("Aqua Согит" и "Ветер Перемен").
Осталось усовершенствовать устройство по созданию массой балласта восстанавливающего момента. Хорошо справляются с этой задачей качающиеся кили, но они, как уже отмечалось, существенно увеличивают продольный момент инерции. Для тех же яхт "Open 60" это увеличение составляет около 25-50%. Как известно, при ходе против волнения возникает дополнительное сопротивление, которое напрямую зависит от величины продольного момента инерции масс. Для разных случаев и по разным источникам эта зависимость имеет характер от прямой до кубической. Таким образом, снижая продольный момент инерции на 25%, мы уменьшаем это сопротивление на курсе бейдевинд как минимум на 25%! Это существенное снижение, позволяющее отыграть так необходимые на финише минуты и часы. Однако для управления качающимся килем требуется сложный и тяжелый гидравлический привод, который может сломаться в самый ответственный момент. К тому же он занимает много места, и в корпусе появляется отверстие, в котором болтается ручка многотонной "кувалды".
Каким же образом можно избавиться от всех этих недостатков?
Надо придать этой самой "кувалде" еще одну (но ограниченную) степень свободы — в продольном направлении, и избавить балласт от выполнения функции сопротивления дрейфу. Иными словами, размеры подвески балласта следует выбирать исходя исключительно из соображений прочности конструкции. Обеспечив свободу колебаний балласта в продольном направлении, получим следующие преимущества:
- снижается продольный момент инерции, что, как уже отмечалось, уменьшает дополнительное сопротивление при ходе в бейдевинд и килевую качку;
- уменьшается риск получения серьезных повреждений при касании грунта;
- уменьшается сопротивление выступающих частей2 за счет уменьшения площади смоченной поверхности конструкции крепления балласта.
Разумеется, все эти вышеприведенные соображения требуют практического подтверждения или опровержения, хотя бы по результатам модельных испытаний. В качестве одного из возможных технических решений можно предложить треугольную ферму, два верхних угла которой шарнирно закреплены на корпусе яхты в плоскости шпангоута, а к нижнему углу в районе центра тяжести подвешена не шарнире "капля" балласта (рис. 3). Для обеспечения подвижности балласта в поперечном направлении (отклонение на наветренный борт) стержни фермы подвески можно изготовить переменной длины (например, в виде гидроцилиндров). Еще один вариант реализации подобного устройства — доработка "обычной" схемы управления маятниковым килем путем добавления одного шарнира и пары амортизаторов и гидроцилиндров.
Урмас Лаул, инженер-кораблестроитель, яхтенный конструктор, главный конструктор фирмы "Малфлот-Арматор".
Примечания
1. Это утверждение автора представляется нам несколько сомнительным — низкое положение ЦБС вызвано не столько необходимостью заглубления размещенного на плавнике балласта, сколько применением гидродинамически эффективных плавников большого удлинения.
2. Данное положение также довольно спорно — приводимые автором возможные решения подвески балласта относятся к плохообтекаемым конструкциям, что может свести на нет выгоду от уменьшения площади смоченной поверхности.