ГИДРОАЭРОДИНАМИКА ЯХТЫ

Раздел «Гидродинамика»

Гидроаэродинамика яхты: как косой парус работает как крыло, откуда берутся тяга и дрейф, роль киля, руля и крена.

Гидроаэродинамика яхты — раздел теории корабля, рассматривающий движение судна с косыми парусами.

Парус как крыло

С точки зрения аэродинамики косой парус — крыло, на котором под действием набегающего потока воздуха возникает аэродинамическая сила. Её раскладывают на силу тяги, силу дрейфа и вертикальную составляющую. Поскольку точка приложения аэродинамической силы расположена выше точки приложения гидродинамических сил, возникают моменты: кренящий, дифферентующий и приводящий к ветру (или уваливающий). Силам и моментам на парусах соответствуют гидродинамические силы на корпусе: сопротивление воды, сила сопротивления дрейфу, вертикальная сила и восстанавливающие моменты — продольный, поперечный и уваливающий (приводящий).

Сила сопротивления дрейфу возникает потому, что яхта движется не в диаметральной плоскости, а под углом дрейфа к ней. До 85 % этой силы создают профилированные «плавники» — кили и рули.

Аэродинамическую силу на парусе можно представить двумя составляющими: лобовым сопротивлением, направленным по потоку воздуха, и подъёмной силой, перпендикулярной ему. На курсе бейдевинд тягу определяет главным образом подъёмная сила. С ростом подъёмной силы растут и тяга, и дрейф, а с ростом лобового сопротивления дрейф растёт, а тяга падает. Направление и скорость воздушного потока определяются сложением векторов истинного ветра и встречного потока, вызванного скоростью самой яхты. Когда вымпельный ветер дует под углом 90° к диаметральной плоскости, подъёмная сила — это сила тяги, а лобовое сопротивление — сила дрейфа. На фордевинде, когда угол атаки близок к 90°, подъёмная сила равна нулю, а тягой становится лобовое сопротивление.

Угол атаки и форма паруса

Существует критический угол атаки: за ним из-за интенсивного вихреобразования с подветренной стороны паруса подъёмная сила резко падает. В зависимости от относительной глубины профиля («пуза») и аэродинамического удлинения паруса критический угол составляет 8—16°; он уменьшается при росте удлинения, при уменьшении «пуза» и при слабом ветре.

Яхты обычно несут паруса с разной величиной «пуза»: для слабого ветра оптимальны паруса, у которых стрелка прогиба профиля относится к хорде как 1:10, для сильного — более плоские (1:15), дающие меньший дрейф. Максимальная глубина профиля находится на расстоянии 33—40 % хорды от передней шкаторины.

На тягу заметно влияет скручивание паруса — изменение углов атаки сечений по высоте. Разность углов атаки верхней и нижней частей может достигать 20°, и подъёмная сила тогда заметно падает. Мачта тоже вредит: вызывает завихрения с подветренной стороны паруса, и при больших размерах сечения и неудачной форме подъёмная сила может быть на 25 % ниже, чем у паруса, поставленного передней шкаториной по штагу.

На бейдевинде лучшие результаты дают паруса удлинением около 6; при углах атаки около 30° заметное преимущество получают более широкие паруса удлинением 1—3. У большинства современных яхт лавировочные паруса шьют с отношением длин передней и нижней шкаторин от 3 до 5, а вспомогательные паруса для полных курсов (ричер, спинакер и подобные) — с отношением, близким к единице.

Положительно влияет щель между гротом и стакселем: воздух, проходя через неё с повышенной скоростью, ускоряет циркуляцию вокруг обоих парусов и мешает вихреобразованию на подветренной стороне грота. Большой стаксель на бейдевинде даёт примерно на 30 % большую силу тяги и на 45 % меньшую силу дрейфа, чем грот.

Киль, руль и крен

Киль яхты проектируют как симметричный крыловидный профиль с относительной толщиной 0,09—0,12; наибольшая толщина — на расстоянии 30—35 % хорды от передней кромки. Гидродинамическое удлинение килей у современных яхт — от 1 до 3, а площадь киля или шверта составляет около 1/25 площади парусности. Заметный вклад в сопротивление дрейфу вносит обтекаемый руль большого удлинения.

К полному сопротивлению воды у яхты добавляются сопротивления от крена и дрейфа (индуктивное). При малых углах крена у некоторых яхт сопротивление даже снижается за счёт того, что ватерлиния удлиняется и сужается. При крене свыше 5° дополнительное сопротивление растёт и достигает 30 % полного при 35°. Индуктивное сопротивление вызвано перетеканием воды через нижнюю кромку киля и руля и уменьшается с ростом их гидродинамического удлинения.

Снизить ходовой крен, то есть повысить остойчивость, можно балластным фальшкилем в нижней части плавникового киля; его масса составляет 35—50 % водоизмещения яхты. На лёгких швертботах остойчивость обеспечивают формой корпуса (прежде всего значительной шириной) и перемещением экипажа на наветренный борт, в том числе на трапеции.

Воздушное сопротивление и скорость

Большое влияние на ходовые качества оказывает воздушное сопротивление: на бейдевинде на его преодоление уходит около трети силы тяги. В общем балансе воздушного сопротивления на долю парусов и рангоута приходится 70—80 %, на такелаж — 3—5 %, на корпус — 15—18 %, на экипаж — 4—5 %.

Скорость яхт с балластным килем ограничена относительной скоростью Fr = 0,5—0,6, при которой на кривой сопротивления появляется «горб». Лёгкие швертботы с достаточной парусностью в свежий попутный ветер переходят на глиссирование и развивают более высокие скорости. Наибольшая скорость достигается на курсе от галфвинда до бакштага. Если у судна малое лобовое сопротивление, возможен так называемый буерный эффект: за счёт энергии вымпельного ветра парусник разгоняется до скорости, превышающей скорость истинного ветра. Таким свойством обладают катамараны, колёсные и ледовые яхты — буера, на которых иногда применяют жёсткий парус-крыло.

Отдельная проблема — устойчивость на курсе, зависящая от правильной центровки яхты, то есть от положения центра парусности относительно центра бокового сопротивления подводной части корпуса.