Форма паруса и контроль за нею.

Поперечный профиль паруса. Основным фактором, влияющим на величину аэродинамических сил на парусе и его тяговые характеристики, является его профиль, т. е. форма и размеры " пуза".

На рис. 26 представлены поляры четырех жестких моделей бермудских парусов, имеющих аэродинамическое удлинение =4 и расстояние максимальной глубины " пуза" от передней шкаторины, равное 1/3 хорды. От реальных парусов модели отличались еще отсутствием угла скручивания и постоянством относительной глубины " пуза" по высоте.

На полярах (рис. 26) видно, что с уменьшением глубины " пуза" качество паруса возрастает благодаря снижению коэффициента лобового сопротивления (показано горизонтальной стрелкой). Максимальная подъемная сила паруса, наоборот, увеличивается по мере увеличения глубины " пуза" (показано наклонной стрелкой).

Посмотрим теперь, каким образом могут быть реализованы качества парусов в зависимости от их профиля. Предположим, что яхта идет курсом бейдевинд под углом = 30° к направлению вымпельного ветра. Очевидно, наибольшую тягу даст тот парус, касательная к поляре которого - перпендикуляр к линии пути яхты (см. рис. 24) будет отстоять от точки 0 дальше подобных же касательных к другим полярам. В данном случае наибольшую тягу имеет парус с относительной глубиной " пуза" f/b=1/10. Однако нетрудно заметить, что выигрыш в тяге этого паруса будет минимальным по сравнению с более плоским парусом, имеющим f/b = 1/15. В то же время, более " пузатый" парус (f/b = 1/10) дает значительно большую поперечную силу дрейфа, чем парус с f/b = 1/15. Поэтому небольшое преимущество более " пузатого" паруса может быть реализовано на лавировке только в слабый ветер, когда абсолютная величина силы дрейфа будет невелика. В свежий ветер плавание с таким парусом сопровождается большим креном и соответственно дополнительным сопротивлением движению, так что в конечном счете выигрыша в скорости не получится.

Еще более " пузатые" паруса f/b=1/5 и 1/4 на курсе бейдевинд не только не дают увеличения силы тяги, но и отличаются намного большей величиной силы дрейфа. Однако более высокий коэффициент подъемной силы " пузатых" парусов может быть реализован на других, более полных, курсах по отношению к ветру: например, на курсе галфвинд, когда подъемная сила дает наибольшую составляющую на направление движения (см. рис. 24, б). В практике морских гонок это качество " пузатых" парусов используется благодаря смене на полных курсах лавировочных передних парусов на дрифтергеную, блупер или спинакер.

Следует заметить, что преимущества " пузатых" парусов могут быть использованы в основном при слабых ветрах, когда скорость яхты прямо пропорциональна силе тяги. В сильные ветра, когда яхта развивает свою предельную скорость под обычными лавировочными парусами и дальнейшее повышение тяги практически не увеличивает скорость, постановка " пузатых" парусов не дает эффекта. Более того, большая сила дрейфа " пузатого" паруса обусловливает больший крен и дрейф и соответствующее повышение сопротивления воды движению яхты.

В качестве основных (лавировочных) парусов для среднего ветра (2-4 балла) применяют паруса с " пузом" f/b=9-10%. Для слабого ветра выгодны более " пузатые" паруса - f/b до 12%, а при ветре более 5 баллов - паруса с " пузом" не более 6% (f/b=1/17 -1/25).

В гонках яхтсмены широко пользуются различными способами регулирования величины " пуза" парусов в зависимости от силы ветра. Особенно это относится к настройке грота, так как по правилам IOR замена его во время гонок не допускается, а ветровые условия могут изменяться в довольно широких пределах. Основными средствами регулирования " пуза" грота являются продольный изгиб мачты, натяжение шкаторин (оттяжка Кэнингхэма и грота-шкот), уплощающий риф, натяжение гика-шкота и положение его блока на погоне по ширине яхты, оттяжка гика. Продольный изгиб мачты позволяет контролировать две верхние трети паруса, в то время как другие средства эффективны при изменении профиля у гика.

В слабый ветер, когда важно иметь грот наиболее " пузатым", мачта должна быть прямой, грота-шкот и оттяжку гика выбирают не до конца, оттяжка Кэнингхэма растравлена. Блок на погоне гика-шкота перемещают от ДП в сторону наветренного борта; гика-шкот втугую не выбирают.

Для увеличения " пуза" стакселя или генуи блок (кипу) стаксель-шкота перемещают вперед и ближе к ДП яхты. При этом " пузо" перемещается вперед, натяжение задней шкаторины ослабляется, зазор между гротом и стакселем увеличивается.

С усилением ветра мачте придают изгиб с выпуклостью, направленной вперед, увеличивая натяжение ахтерштага (при оснастке типа 3/4 или 7/8) или регулируя натяжение промежуточного штага и бакштагов (при топовой оснастке). Благодаря этому излишек паруса убирается в образовавшийся серп у передней шкаторины, " пузо" становится меньше и перемещается ближе к мачте. Оттяжку Кэнингхэма, грота-шкот и оттяжку гика выбираю втугую; блок гика-шкота смещают по погону на подветренный борт. Шкоты выбирают более туго, чем в слабый ветер. При необходимости сделать парус еще более плоским в нижней части берут уплощающий риф, используя люверсы, расположенные вблизи гика.

Профиль генуи может быть сделан более плоским при передвижении блока стаксель-шкота назад и к борту большем натяжении передней шкаторины. Значительное влияние на профиль передних парусов оказывает натяжение штага: для того чтобы парус стал более плоским, необходимо по возможности ликвидировать прогиб штага.

Большое влияние на тяговые характеристики паруса кроме величины " пуза" оказывает место положения максимальной выпуклости от передней шкаторины. На рис. 27 показано распределение разрежения на подветренной стороне жесткой модели паруса с относительной величиной " пуза" f/b =0, 188 при отстоянии максимального " пуза" на 40 и 60% хорды от передней кромки и при угле атаки a = 15° (характерный " провал" на эпюре давления являйся следствием развитого вихревого пузыря - см. рис. 21). Как видим, в создании движущей силы главную роль играет передняя часть паруса, где концентрируется разрежение у паруса с " пузом", расположенным на 40% хорды от передней шкаторины. Когда же " пузо" смещено к задней шкаторине, область разрежения охватывает и заднюю часть профиля, вследствие чего увеличивается составляющая R, направленная против движения яхты. Таким образом, при смещении " пуза" к задней шкаторине эффективность паруса снижается как в результате падения подъемной силы в передней части паруса, так и в результате роста сил сопротивления, тормозящих ход судна.

Лавировочные паруса шьют с максимальной глубиной " пуза", расположенной от передней шкаторины на расстоянии от 35-40% ширины паруса b для плоских парусов, до 40-50% b для более полных.

Во всех поперечных сечениях максимальная глубина " пуза" должна находиться в указанных пределах. Поэтому по мере увеличения ширины паруса по направлению к гику соответственно увеличивается и абсолютная величина " пуза". У гика на обезветренном парусе " пузо" образует " мешочек", который в сильный ветер можно убрать в скатку уплощающего рифа.

Форма паруса. С точки зрения аэродинамики крыла наиболее выгодным был бы парус с эллипсовидной верхней частью. Именно в его верхней части образуются потоки воздуха, перетекающего с наветренной стороны на подветренную - в область разрежения. В результате возникают вихри, срывающиеся с кромки паруса и уходящие в пространство. Эти возмущения требуют затрат кинетической энергии ветра, которые выражаются в росте общего аэродинамического сопротивления судна в виде составляющей индуктивного сопротивления.

Очевидно, что наибольшим индуктивным сопротивлением обладает четырехугольный гафельный парус, у которого перетекание воздуха происходит по верхней и нижней широким кромкам. Поэтому коэффициент подъемной силы здесь резко падает (см. рис. 8).

У паруса с эллипсовидной верхней частью величина подъемной силы из-за плавного уменьшения площади паруса у верхнего конца также плавно убывает. Благодаря этому плавно убывает и интенсивность перетекания воздуха через кромки, не происходит местного изменения угла атаки и коэффициента подъемной силы.

Попытка приблизить форму паруса к эллипсовидной при существующих ограничениях ширины фаловой доски и эластичности мачты была сделана, например, на английском двенадцатиметровике " Лайонхат" - претенденте на Кубок Америки 1980 г.: верхняя часть мачты на нем была сильно изогнута. Испытания в аэродинамической трубе показали, что грот с гнутой мачтой дает примерно 10-30% увеличения движущей силы по сравнению с обычным бермудским парусом или увеличение скорости лавировки на ветер порядка 4%.

У треугольного паруса основная площадь и, следовательно, нагрузка сосредоточены в нижней трети. По мере приближения к фаловому углу площадь и подъемная сила убывают, что сопровождается соответствующим уменьшением скорости и фактического угла атаки паруса к набегающему потоку. Близ фалового угла также усиливается отрицательный эффект мачты поскольку размеры ее сечения увеличиваются относительно хорды паруса. Эксперименты показали, что если срезать бермудский парус на 15% высоты от вершины, то практически его тяга не уменьшится.

Существенное влияние на характеристики паруса оказывает аэродинамическое удлинение паруса (отношение длины передней шкаторины) к его средней хорде, измеренной на половине высоты, или отношение квадрата высоты паруса и его площади.

На рис. 28 представлены поляры трех парусов различного удлинения - от = 1 до 6, имеющих одинаковое " пузо" f/b=7, 4%. Сравнивая поляры можно заметить, что при угле атаки a = 10° наивысшую аэродинамическу силу дает парус с максимальным удлинением = 6. Этот же парус имеет наивыгоднейшее направление аэродинамической силы для получения максимальной тяги на курсе бейдевинд.

Аэродинамическая сила на парус имеющем = 6 достигает максимум при a = 15°, затем падает. При угле атаки около 35°, т. е. на полных курсах, заметное преимущество получай более широкие паруса, имеющие = 1. Таким образом, можно сделать вывод, что парус с большим удлинением при переходе яхты на полный курс становится менее выгодным. На курсе полный бакштаг, например, более быстроходной может оказаться яхта, ocнащенная широкими гафельными парусами с удлинением около 1. Вот почему несмотря на общепризнанное преимущество бермудских парусов, гафельные паруса довольно часто применяют на моторно-парусных яхтах, у которых паруса используются преимущественно при сильных ветрах и на попутных курсах.

У большинства современных яхт лавировочные паруса имеют отношение длин шкаторин от 3 до 5; паруса для полных курсов - дрифтеры, блуперы и спинакеры шьют с соотношением шкаторин, близким к 1.

Пределом для использования парусов большого удлинения является ограниченная остойчивость яхт, не позволяющая чрезмерно повышать положение ЦП. Более высокая парусность требует также рангоута большего сечения, что приводит к распространению влияния мачты на большую часть площади грота.