Дельта парус
Основы гравитационной механики
В этой дискуссии о дельтаобразные и родственные паруса, опыт работы с прототипами парусов описан первым. Паруса имеют щадящий характер, обеспечивая значительная подъемная сила, а также тяга при движении против ветра, и создают относительно небольшое усилие крена. Результаты численное моделирование, проведенное Адамом Райаном, затем обобщается. В дискуссии об аэродинамике парусов (и крыльев), что имеют коническую или усеченную коническую форму, предполагается, что Образование вихрей от кончика паруса сведено к минимуму за счет искривление верхней части паруса к ветру, по стреловидности, и путем вымывания. По-видимому, дельта-образные паруса особенно важны эффективны из-за того, как они управляют воздушным потоком через них в Три измерения.
Определение
Парус дельтообразной формы имеет сильно наклон (т.е. 40º или более от вертикальная) передняя кромка, поддерживаемая либо лонжероном, либо штагом, ногой которая примерно параллельна поверхности воды, а задняя кромка, которая приблизительно вертикальна.
Существует несколько традиционных парусное вооружение, несущее паруса в форме треугольника, например, Lateen и Краб-Коготь. Доля стакселей, генуэзских и асимметричных Спинакеры также можно рассматривать в категории Дельтаобразные паруса, как указано выше. Есть и другие буровые установки несущие паруса, частично соответствующие конической геометрии паруса дельта-формы, например, Lug, Junk, Gaff и Transition rig – они будут называться в этом обсуждении усеченными дельты.
Знакомство
Вдохновение для этого Исследование парусов дельтообразной формы началось с просмотра фильмов Австралийские 18-футовые ялики («Awesome Aussie Skiffs» 1 и 2). Эти легкие лодки перевозят экипаж из трех человек, которые могут кататься на трапеции от широких крыльев по бокам лодки и несут пропорционально большая площадь парусности. В подходящих условиях австралиец Ялики способны глиссировать на большинстве точек парусности. Парусный По ветру экипаж поднимает большой ассиметричный спинакер с опорой от форштага, и судно следует быстрым зигзагообразным движением по ветру Курс, переходящий от галса к галсу. От просмотра фильмов стало Понятно, что спинакер – помимо того, что генерирует значительные Поступательное усилие - также создает подъемную силу, удерживая носовую часть аппарата вверх вынырнуть из воды и снизить риск ныряния носом в спину волны впереди.
Рисунок 1:
Идея для участия в конкурсе Concept Boat
У В то время я разрабатывал запись для Concept Boat 2005 конкуренция. Задача состояла в том, чтобы спроектировать корабль, который бы поощрял семей на воде, и я работал с идеей легкое судно, которое можно было перевозить на крыше автомобиля, и что было бы просто плыть. Я решил, что простая парусная доска Лучше всего, с дополнительным объемом (и, следовательно, плавучестью) для Поддержка других членов семьи. Рассмотрев различные парусных оснасток, в том числе стандартных парусных такелажей, я придумал Идея дельта-образного паруса с наклонным, изогнутым рангоутом, поддерживающим передняя кромка паруса и А-образный шпангоут с задней части судно, поддерживающее кормовую оконечность рангоута (рис. 1).
Испытательный стенд
Чтобы проверить производительность этого паруса, прежде чем продолжить концепцию дизайна, я сделал испытательный стенд для швертбота Fireball. Был изготовлен рангоут, несущий парус из алюминиевых труб, изогнутых в кривую и усиленных спиралью слои углеродной ленты, встроенные в эпоксидную смолу. Изготовлена А-образная рама из алюминиевой трубы и опираться на алюминиевую поперечную трубу при Корма швертбота. Парус был вырезан из существующего «Огненного шара» парус и рукав мачты, добавленный вдоль новой передней кромки. Кривая передней кромки паруса точно совпадала с изгибом лонжерон, так что, когда он был установлен в неподвижном воздухе, он висел плашмя под лонжерон без встроенного развала. Три горизонтальные обрешетки Добавили. Они были сделаны из конических трубок из углеродного волокна (рыболовные стержни), которые сужались к передней кромке. Основной лист был прикреплялся к шкоту паруса и действовал вокруг веревочного путешественника К концам привязывают поперечную трубу. Такое расположение позволило триммерное натяжение, прикладываемое к парусу как вниз, так и назад.
Рисунок 2: Наполнение и подъем паруса за счет обтекания его воздушным потоком
На суше с буровой установкой, соответствующим образом выровненной по отношению к ветер, было ясно, что необузданный парус имеет тенденцию отвести в сторону и поднять вверх (рис. 2). Когда он вздымался, Кривизны появились как спереди, так и сзади поперек паруса (горизонтальный развал) и сверху вниз (вертикальный развал). В качестве Как следствие кривизны мачты, тем больше плоский парус отодвигался в сторону, тем больше это «раздувание» эффект стал. Лучше всего это можно понять, подумав о ситуация, когда парус поднялся до тех пор, пока не полетит почти горизонтально вдоль лонжерона. В таком положении, если смотреть с сверху лонжерон кажется прямым, а изогнутая передняя кромка Парус должен ему соответствовать. Это приводит к провисанию ткани между средней областью рангоута и подошвой паруса, поощрение формирования изгибов. Это адаптивное изменение паруса от Относительная плоская поверхность при плавании на близком расстоянии от более изогнутой При плавании против ветра этому способствовала его эффективность.
Рисунок 3: Плавание против ветра
Рисунок 4: Плавание против ветра
На воде буровая установка показала себя хорошо (рис. 3 и 4). Лонжерон и А-образная рама обеспечивали стабильную, свободную от помех опора для паруса. По сравнению с более традиционными оснастками, низкая Соотношение сторон паруса с соответствующим низким центром усилия уменьшил момент опрокидывания, создаваемый порывами ветра и более сильным ветром, придание швертботу более устойчивого ощущения. В условиях от Сила 2 к Силе 4 было относительно легко установить курс и поддерживали его, и парус казался терпимым к углам шкота. Тем Швертбот можно было плыть по всем обычным точкам парусности, хотя он был заметно медленнее на мертвом пробеге по ветру, особенно в более слабые ветры. Вероятно, это было связано с уменьшенной площадью к ветру полностью распущенным парусом. В этих условиях Большая часть более широких кормовых частей паруса разлеталась почти горизонтально сбоку от верхней трети лонжерона, а ветер направлялся вперед в основном на более узкие, более узкие, вертикальная часть паруса возле носовой части.
Чтобы узнать больше о воздушном потоке через и позади паруса, шерстяные накладки были прикреплены сетчатым узором поперек как поверхности паруса, так и растяжки, прикрепленные к хвостовому кромка в верхней части паруса и в местах обрешетки. Это может быть увидели, что с наветренной стороны паруса воздушный поток в Окрестности поверхности несколько отклонялись вверх по мере того, как прошел от ведущих к задним кромкам. Стример в верхней части парус плавно струился сзади, почти не трепеща по сравнению со стримером у подножия паруса.
Модификации буровой установки понятие
Благодаря опыту, полученному на испытательном стенде, удалось вернуться к дизайну оснастки для участия в конкурсе Concept Boat. Чтобы улучшить возможность движения по ветру при слабом воздухе, я решил двухслойный парус, который можно было раскрывать, как спинакер, когда требуется, удваивая его площадь (рис. 5, а). На других точках парусности, две пластинки паруса останутся вместе (рис. 5, б).
Рисунок 5: Различные конфигурации оснастки – а) плавание по ветру с помощью парусных пластин раздельные, б) нормальное плавание с пластинками вместе, в) парус зарифленный и ножки А-образного шпангоута, выдвинутые вперед, чтобы опустить рангоут и привести в движение опору паруса Близко к Халлу
Такой двухслойный подход открыл новые возможности для рифления. Была изменена компоновка обрешетки – нижняя обрешетка была расположена вдоль подножие каждого паруса, а затем верхняя лата располагаются от переднего нижнего кончика каждой пластинки наискось поперек парус до середины задней кромки. Для рифления нижний сегмент каждой пластинки может быть сложен между две пластинки и фиксируются в таком положении, что верхняя обрешетка становится Новая опора паруса. Затем шкот для паруса будет перемещен в люверсы, примыкающие к концам верхних реек. Парус, теперь уменьшается вдвое по площади, может быть использован либо в своем нормальном положении, чтобы дать больший запас высоты для тех, кто находится на борту, или понижен для использования при сильном ветре скольжение ножек А-образной рамы вперед вдоль боковых труб до тех пор, пока новая нога паруса находится близко к борту (рис. 5, в).
Рисунок 6: Флеш идет против ветра
с парусными пластинками вместе
Рисунок 7: Флеш идет по ветру
с разделенными пластинками паруса
Прототип Flèche
Был изготовлен прототип Flèche. Первичный тест Отплытия указывали на то, что неподвижный путешественник поперек кормы нужен был для основного листа, но в целом концепция сработала хорошо (Рисунок 6). Плавание по ветру с двумя разделенными пластинками паруса доказала свою эффективность (рис. 7).
Численное исследование Оснастка Flèche
Адам Райан, студент, изучающий для получения степени в области спортивных наук в Университете Плимута, смоделированная свойства буровой установки Flèche с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). CFD — это метод, использующий уравнения механики жидкости для описания поля течения на поверхности и вокруг нее. По числовому выражению моделируя исследуемую форму и помещая ее в заданный жидкостной области, можно рассчитать характеристики поля потока. Кому упрощают расчеты, лонжерон передней кромки, обрешетку, изменяя формы паруса под нагрузкой, а также взаимосвязь паруса с корпуса не были смоделированы, поэтому результаты должны быть интерпретированы с помощью Это имеет в виду.
Рисунок 8: Движение центра усилия под
разными углами падения (по Ryan 2007)
Смоделированный парус был изучен под разными углами Угол падения воздушного потока от 5º до 40º. Парус производил максимум CL (коэффициент подъемной силы) при температуре около 30º, за пределами которой парус заглох, и CL быстро упал, в то время как CD (коэффициент лобового сопротивления) увеличился. С точки зрения наибольшего подъема до коэффициент лобового сопротивления, наиболее эффективный угол срабатывания составлял 15º. Тем Центр усилия находился на самом низком уровне при падении 5°, а затем неуклонно поднимался вверх и в корму на парусе до 25° (рис. 8). Под большими углами Центр усилий снова опускался вниз и вперед. Наибольший момент крена возник при угле падения 30°.
При меньших углах падения смоделированный парус Флеша производил большее сопротивление, чем у бермудских буровых установок, но работает эффективнее, чем при больших углах падения. Низкое соотношение сторон (0.7) Флеш заглох на 31º по сравнению с 14° и 25° у бермудских буровых установок с соотношением сторон 6 и 1,5 соответственно. Однако, по сравнению с цифры, опубликованные для буровой установки «Краб-Коготь», оснастка «Флеш» была относительно неэффективны.
Вычисленные линии тока проиллюстрировали обтекание паруса воздушным потоком (рис. 9). Линии тока показали хорошее сцепление до частоты 30°, после чего начался отряд. Несмотря на то, что высвобождение воздуха при верх паруса был чистым, у подножия образовался большой вихрь паруса под большими углами падения, так как воздух выплескивался из С наветренной стороны с более высоким давлением на подветренную сторону с более низким давлением.
Рисунок 9: Обтекаемые линии с парусом, установленным на 5º (вверху) и 35º (внизу) к воздушному потоку (из Ryan, 2007)
Вортексе У подножия флешского паруса он стал особенно заметен в большие углы падения. Вихрь увеличивает сопротивление паруса и снижает его эффективность. Для упрощения вычислений взаимодействия паруса с корпусом и водной поверхностью не было включенный. Если зазор между парусом и корпусом может быть сведен к минимуму или - в идеале - закрытым, тогда вихреобразование можно было бы затормозить или Предотвратить. (Иногда это явление называют эффектом «торцевой пластины». В В 1980-х годах виндсерферы начали пользоваться улучшением производительность, которую можно получить, «сократив разрыв». Они добились Это было сделано путем изменения кроя нижней части паруса и регулировка рейки используемой буровой установки, чтобы закрыть зазор.) Тем Парус Флеш был сформирован с целью сохранить этот зазор как узкие, но на практике величина зазора изменяется по мере того, как Парус дифферентируется в соответствии с курсом, по которому идет плавание.
Существует несколько способов, по которым разрыв может быть эффективно закрывается при использовании оснастки типа Flèche на воде. Одним из способов было бы подровнять парус до требуемого курса, а затем сдвиньте ножки А-образной рамы вперед, чтобы опустить опору лонжерона. парус до тех пор, пока подошва паруса не окажется как можно ближе к корпусу возможный. Затем А-образная рама может быть зафиксирована в этом положении до тех пор, пока Следующая смена направления. Другим способом было бы закрыть разрыв с помощью ткань, идущая от основания паруса до крепления вдоль средняя линия корпуса. Нужно было бы как-то приспособиться Количество ткани, доступной для адаптации к изменениям паруса; отделки, так что, возможно, можно было бы устроить подпружиненный конический ролик по средней линии, чтобы заполнить провисание ткани, закрывающей зазоры.
Вместо того, чтобы стремиться сократить разрыв, это может быть можно уменьшить вихреобразование, приняв стратегию Оснастка «Краб-Коготь», использующая вихревые свойства вогнутой оснастки пиявка и стреловидный кончик в нижней части паруса, а также при сверху.
Основные характеристики дельта-формы Паруса
Эти исследования с участием полноразмерных прототипов и Компьютерное моделирование показало, что паруса дельтообразной формы имеют Несколько характерных свойств:
поскольку они имеют более низкое соотношение сторон, чем большинство других парусных вооружений, У них соответственно более низкий центр усилий, который, в свою очередь, приводит к более низкому крутящему моменту для данной площади парусности (другие при равных условиях)
Они могут работать более эффективно при более высоких углах падения, чем другие паруса и имеют задержку свалива. Это делает их толерантными в использование
За исключением плавания на узкой дистанции, дельтаобразные паруса производят значительное увеличение подъемной силы, направленной вверх, в дополнение к прямому толчок
Вихри на кончиках сводятся к минимуму, хотя большой вихрь развивается при нога паруса, если он находится недостаточно близко к корпусу или воде для Наслаждайтесь эффектом торцевой пластины.
Аэродинамика Паруса в форме треугольника
Интересно рассмотреть аэродинамика треугольных парусов и связанные с ними усеченно-дельта-формы. Я пришел к убеждению, что толерантные, Эффективность этих парусов обусловлена тем, как они направляют потока воздуха по их поверхностям, а затем выпустить его из задняя кромка, особенно на кончике. Эти парусные формы, и также некоторые формы крыльев, встречающиеся как в природе, так и у некоторых видов летательных аппаратов, имеют общую коническую геометрию, и это приводит к несколько желательных свойств. Как следствие их общей 3-D Паруса конической формы, кажется, способны управлять воздушным потоком плавно по наветренной и подветренной поверхностям. С их помощью стреловидные, слегка размытые кончики, а с верхними частями паруса, изогнутые к ветру, они, по-видимому, обладают способностью подавлять вихри на кончиках, вызывающие сопротивление.
Рисунок 10: Форма крыла раннего дельтаплана
Полезно учитывать геометрию раннего зависания Планеры. Концепция этих тканевых крыльев была впервые запатентована в 1951 Фрэнсис Рогалло (Messenger and Pearson, 1978). Каждое крыло состоял из конического валка ткани, поддерживаемого стреловидной спинкой передняя кромка и срединная труба фюзеляжа (рис. 10). Тем продольной оси каждого вала, угол между передняя кромка и средняя линия, сходящиеся с каждой стороны к носу планера. Разные части крыла имеют разные углы наклона по отношению к приближающемуся воздушному потоку, регионы закрываются к средней линии, имеющей более положительный угол падения, а области к законцовке крыла с уменьшенными углами падения. (Иногда это называют «вымыванием». Это сопоставимо с «скручивание» в верхних частях паруса.)
Эта простая геометрия обеспечивает стабильность вокруг всех три основные оси (тангаж, рысканье и крен). Таким образом, если крыло возмущенный в полете, он автоматически гасит возмущение и вернуться к стабильному полету. (Стабильность повышается за счет размещения пилот ниже крыла и, таким образом, понижает общий центр тяжести для придания дополнительной стабильности маятника. Более поздние дельтапланы имеют уменьшенная стреловидность и двуслойные крылья, которые имеют более толстую аэродинамический профиль для улучшения летно-технических характеристик.)
Сразу видно, что родство есть между расположением ранних конструкций крыла дельтаплана и Здесь обсуждаются паруса в форме дельты. Несмотря на то, что крыло большинство обычно работает в более горизонтальном положении, а парус более по вертикали, чтобы аэродинамические векторы располагались по-разному, Тем не менее, вполне вероятно, что паттерны воздушного потока через их Поверхности сопоставимы. Кроме того, неотъемлемая стабильность этого Коническая форма также может способствовать добродушному ощущению Дельта-образные паруса, вопрос, который был затронут в обсуждении Льюиса (2003).
Рисунок 11: Изменяющаяся коническая геометрия крыла птицы –
оси (розовые) суставов в локтях и запястьях в основном
перпендикулярны воображаемой конической поверхности
, показанной синим цветом. При сгибании и разгибании крыла
эта коническая форма сохраняется
Крылья птиц, которые являются эффективными планеристами как правило, имеют вымывание (все более отрицательный угол падения) к кончику, а кончик обычно направлен вниз (ангэдрический) и в обратном направлении (sweep). Первым это заметил пионер полета Отто Лилиенталь (1889). При разработке переходной буровой установки (Dryden, 2004), мои исследования крыльев птиц (например, крыльев чайка) указывали на то, что их крылья также соответствовали конической форме геометрия (рис. 11). Таким образом, их можно рассматривать как усеченные дельты, соответствующие части конической поверхности. Я обнаружил, что в В общем, оси шарниров крыла были установлены перпендикулярно такому поверхности (плюс-минус ограниченный диапазон движений для управления во время полета), позволяя сохранять коническую форму в качестве крыло сгибается, вытягивается и складывается (рис. 11).
Рисунок 12: Гипотеза: вершинные вихри, создаваемые различными конфигурациями крыльев – прямые крылья производят большие вихри (слева); анэдрические крылья производят меньшие вихри (второй слева);
стреловидные анэдрические крылья производят еще меньшие вихри;
стреловидные анэдрические крылья с размытием дают
минимальные вершинные вихри (справа)
Рисунок 13: Гипотеза: вершинные вихри, создаваемые различными
конфигурациями парусного вооружения – вертикальный парус крыла (сзади слева) создает большой вихрь;
Вертикальный парус, изогнутый к наветренной стороне, дает меньшую вихрь
(второй слева); вингсейл, который одновременно изогнут к ветру
и также загнут назад, имеет уменьшенный законцовочный вихрь (третий слева);
Вингсейл, изогнутый к ветру, стреловиден назад и закручивается так, что законцовка находится под уменьшенным углом падения
по отношению к кажущемуся ветру, имеет наименьший законцовочный вихрь, и, следовательно,
сопротивление (справа)
Кому Обобщая, кажется, что в этом есть что-то полезное Расположение кончика фойла – паруса или крыла – с изгибом в сторону высокого давления (т.е. с наветренной стороны паруса, или нижняя сторона крыла в нормальном полете), стреловидная назад, а с уменьшенный угол падения (крылья – рисунок 12, паруса – рисунок 13). Предположительно, такая конфигурация ограничивает растекание воздуха вокруг кончик фольги и, таким образом, сводит к минимуму образование вихрей и сопротивление. Оно У меня сложилось впечатление, что дельта- и усеченные дельта-буровые установки выигрывают от это расположение. Это рабочая гипотеза, что интересно тестировать.
Есть Продолжалась дискуссия о буровой установке «Крабовый коготь». В большинстве случаев Краб-Коготь соответствует определению, данному выше для дельтообразные паруса, основное отличие состоит в том, что продольный ось буровой установки может наклоняться на разные углы по вертикали самолет в соответствии с курсом плавания. Это означает, что стопа паруса не всегда параллельна поверхности моря. Marchaj (1996) представил данные, полученные в результате испытаний моделей в аэродинамической трубе что Краб-Коготь был намного эффективнее, чем обычно используемый буровые установки, такие как Бермудские, особенно при больших углах падения. Он предположил, что это связано с формированием передней кромки вихри на подветренной стороне паруса, которые увеличивали подъемную силу генерируется, скорее как крыло Конкорда при полете на низкая скорость и большой угол падения. Совсем недавно Slotboom (2005a, 2005b) поставил под сомнение этот анализ и предположил, что Эффективность Краб-Коготь обусловлена оптимальным развалом и углом наклона падение паруса в разных его положениях.
Исходя из моего опыта работы с парусами дельта-формы и предыдущее обсуждение, я бы добавил, что оснастка «Краб-Коготь» вероятно, генерирует минимальные законцовочные вихри как в верхней части паруса, так и в верхней части паруса и шкот, и что это способствует эффективности буровой установки. Тем численное моделирование буровой установки Flèche Райаном (2007) действительно показать генерацию вихрей вдоль подножия паруса, которая стала более с возрастающими углами падения, и это может привести к поддержка точки зрения Марчая (1996) в отношении передней кромки вихрей, но моделирование показало, что вихревое образование приводит к при быстром увеличении лобового сопротивления по мере приближения паруса к сваливанию, поэтому он представляется маловероятным, что этот механизм объясняет общую эффективность оснастки «Краб-Коготь».
Заключение
Давно признано, что Дельта-образные и усеченные дельта-паруса обладают многими замечательными свойства. Например, они эффективны, снисходительны, имеют низкий центра усилия и, таким образом, с меньшей вероятностью приводят к опрокидыванию, создают как подъемную, так и тяговую тягу и могут поддерживаться мачтами и лонжероны, которые не подвергаются чрезмерной нагрузке из-за низкого удлинения. Прототипы и симуляции буровой установки Flèche дали немного более глубокое понимание аэродинамики дельта-образных парусов, а также обратил внимание на то, что вершинные вихри могут быть сведены к минимуму за счет эту конфигурацию. Эти паруса имеют эффективный способ управления потока воздуха через них в 3-х измерениях (рис. 14), и достойны дальнейшее расследование.
Рисунок 14: Парус в форме дельты (сзади справа) и две усеченные дельты –
Transition Rig (спереди слева) и Junk Rig (в среднем положении).
Обтекание воздушного потока через парус в форме треугольника
подсказывается обтекаемыми линиями
Gravio
Если вы когда-либо интересовались, как работает парус, то наверняка знаете, что это, по существу, стоящее вертикально (насколько удается команде) крыло. И работает он точно так же — благодаря обтеканию его потоком воздуха. Над выпуклой частью образуется область пониженного давления, а под вогнутой — повышенного. Разность давлений «выталкивает» парус или крыло в сторону пониженного давления.
В случае с самолетным крылом полную аэродинамическую силу можно разделить на вертикальную и горизонтальную составляющие, а в случае с парусом — на продольную и поперечную относительно оси лодки. Получаем силу тяги и кренящую силу. Первая заставляет судно двигаться вперед, вторая пытается завалить его на борт.
Хотя в воздухе способен парить даже плоский змей, авиаторы и любители парусов придают большое значение аэродинамическому профилю. И у тех, и у других в особом почете выпуклый профиль с максимумом горба в передней трети хорды, соединяющей переднюю и заднюю кромки. Но если крыло самолета представляет собой жесткую конструкцию, которой можно придать любую форму, то заставить гибкую парусину выгнуться под действием воздушного потока, чтобы получился желаемый профиль, задача не из легких. Традиционно она решается при помощи особого кроя, премудростями которого владеют парусные гуру и соответствующие компьютерные программы.
Полную аэродинамическую силу на крыле самолета можно разделить на две составляющие: подъемную силу и силу сопротивления
Сила тяги заставляет парусное судно двигаться вперед, а кренящая сила пытается завалить ею на борт
Для сохранения заданной формы паруса большое значение имеет качество используемой ткани. Под нагрузками она может со временем вытягиваться, и вследствие этого изменять профиль. Эволюция применяемых в парусном деле материалов в полном соответствии с гегелевским «отрицанием отрицания» прошла путь от плетеных циновок, через натуральные и искусственные ткани, и… вернулась обратно к «циновкам», только на более высоком уровне. И сегодня паруса уже стали «выпекать» из пластика, армированного углеродным волокном и алюминием. Подобные высокотехнологичные конструкции долго сохраняют приданный им при рождении профиль, но далеко не всем они по карману. Особенно любителям маломерного флота, эксплуатирующим байдарки, каяки, надувные лодки и им подобные «скорлупки».
Вариантов оснащения парусами таких плавсредств бесконечное множество, и большинство из них основаны на заимствовании идей из «взрослого» яхтенного вооружения. Копируются мачты, ванты, гики, сами паруса, но изготавливаются они в уменьшенном размере и зачастую из самых простых и дешевых материалов, совсем не специальных, а наиболее доступных. Конструктору-неофиту приходится решать массу задач, главными из которых можно считать две: «чтобы тянуло» и «чтобы не перевернуло». Также очень часто определяющими факторами для маленьких «рюкзачных» лодок становятся вес и габаритные ограничения их вооружения.
Такое «самостройное», иногда действительно «на коленке», направление конструирования лодок часто именуется в парусном сообществе «недояхтингом». Его приверженцы народ необидчивый и понимают, что под «недо» обычно подразумеваются исключительно размеры их плавсредств. В основном они предназначены для туризма, или если нужна поездка на теплоходе в Казань, а в походах, как известно, не до белых штанов и специальной яхтенной обуви.
Типичный пример современного хозяйственною судна с «клешней», получивший широкое распространение на экзотических островах
Парус «клешни краба»:U — направление набегающего потока; Uа — тангенциальная составляющая потока (она направлена вдоль рейка и не создает подъемной силы); Uab — нормальная 90° составляющая потока ( направлена под углом к наветренному рейку, создавая подъемную силу); дуга АВ — путь потока по направлению нормальной составляющей; пунктир АВ — проекция дуги АВ на плоскость рейков; а и b отрезки пути потока до максимума горба и после нею (для симметричного профиля АО = ОВ, для несимметричного АО < ОВ); Q -угол наклона наветренного рейка от вертикали
Идеальная форма профиля паруса «клешня краба» достигается при ею симметричности относительно продольной оси между рейками, то есть когда АО = ОВВместе с тем, в истории «недояхтинга» неоднократно наблюдались и отходы от копирования полноразмерных судов, благодаря чему на свет появлялись экзотические заимствования. В частности, легендарная, благодаря работам специалиста в области гидро- и аэродинамики Чеслава Мархая и конструктора Арта Лейна, «клешня краба», о которой и пойдет речь. Это парус, представляющий собой равнобедренный или близкий к нему треугольник, две стороны которого «окаймляют» жесткие рейки (с ударением на последний слог, «реек» -элемент рангоута), а третья сторона (основание треугольника) — свободная. Такие конструкции были издавна распространены в регионах, где в обилии произрастает бамбук. На Малайском архипелаге, например, «клешня краба» даже при современном засилье там японских лодочных моторов до сих пор активно применяется в хозяйственной деятельности.
В чем же секрет его живучести? Во-первых, в простоте. Достаточно взять практически любую ткань или синтетическую пленку, поместить ее между двумя бамбуковыми хлыстами, водрузить все это над лодкой, и она пойдет даже против ветра, то есть галсами. Вторая особенность «клешни» — в «самоподдерживающемся» профиле. Набегающий поток воздуха, попадая под парус (для чего плоскости, в которой лежат рейки, необходимо придать некоторый угол -угол атаки) поддерживает его форму за счет появления избыточного давления на вогнутой стороне. Расположенный между рейками материал приобретает конусоподобную форму, в поперечном сечении которой наблюдается красивый симметричный профиль. Воздушный поток, огибающий выпуклую поверхность паруса, ускоряется, давление падает, а аэродинамическая сила, уже имеющаяся на парусе за счет перепада давлений, прирастает.
В своих многочисленных экспериментах с «циновкой на палках» островитяне давно подметили, что если конусоподобная поверхность установлена под углом к набегающему потоку, то тяга такого паруса максимальна. Объясняется этот эффект на удивление просто. Из-за расположения оси симметрии паруса под углом к набегающему потоку (посмотрите на приведенный рисунок) воздушные потоки огибают конусоподобную выпуклость по дуге (профилю) с максимумом ее «толщины» в передней трети. И не требуется никаких специальных «тонких» настроек паруса, сложного кроя и суперсовременных материалов. Как говорится, дешево и сердито! При минимальном вложении средств получается «крутой» во всех смыслах профиль.
Судостроение на островах Малайского архипелага развивалось, как и везде, «от печки», в роли которой выступала лодка-долбленка. И хотя в тропическом лесу можно найти стволы достаточно большого диаметра, выходить в море на лодке даже полутораметровой ширины было рискованно. Проблему остойчивости быстро и кардинально решали два бамбуковых балансира по бокам. Перевернуть такую «водомерку» намного сложнее, да и отпадала нужда в откренивании лодки экипажем. Поэтому островитяне до сих пор используют в качестве стандартной схемы вертикальную установку паруса «клешня». При этом верхний реек подвешивается на невысокой крепкой свободностоящей мачте под некоторым регулируемым углом к горизонту (около 45 — 50 градусов). А галсовый угол паруса притягивается к палубе. Второй реек (нижний) используется как гик в обычном парусном вооружении. «Недояхтеры» часто поступают так же.
Вертикальная установка «клешни». Верхний реек закреплен на мачте под некоторым углом, галсовый угол паруса притянут к палубе, а нижний реек играет роль гика
Катамаран Арта Лейна, оборудованный парусом на Т-образном подвесе
Благодаря многопозиционному подвесу «клешня» сочетает в себе свойства обычного паруса и воздушного змея
Треки, записанные спутниковым навигатором, наглядно демонстрируют возможности паруса-«клешни» при движении в лавировку против ветраТем не менее, известен и иной способ установки паруса, изобретение которого можно приписать тому же Арту Лейну: «клешня» в Т-образном подвесе с тремя степенями свободы. Такая система позволяет установить плоскость паруса как «душе угодно»: хоть перпендикулярно поверхности воды, хоть параллельно.
В чем смысл поворота «клешни» из вертикали в горизонталь? Дело в том, что в отличие от лодок с балансирами, узкие суда «недояхтеров» менее остойчивы и могут легко совершить оверкиль в шквалистый или сильный ветер. При отсутствии балласта недостаточная остойчивость условно совместима с поперечной кренящей силой. Именно поэтому легкие шверботы частенько ложатся на воду парусами. И если для гонок это почти норма, то в путешествии опрокидывание судна чревато не только испорченным настроением от непланового контакта с водой, но и более серьезными последствиями. Установка же паруса в положение близкое к горизонтали существенно снижает возможные риски. Полная аэродинамическая сила на лавировке будет направлена не поперек лодки, как в случае с вертикально установленным парусом, а почти вверх. То есть, ее бывшая боковая составляющая повернется на некоторый угол и «устремится в небосвод». Главное, чтобы в достаточной степени присутствовал и наклон аэродинамической силы вперед, к носу лодки.
Взгляните на фото лодки с почти горизонтальным положением паруса. Если немного наклонить его к носу и накренить влево или вправо на 20 — 30 градусов, то такая «клешня» способна тянуть судно на курсовых углах ветра от 35 -40 градусов. Этого вполне достаточно для лавировки. А учитывая, что ветер с паруса можно «не сбрасывать», то есть не уменьшать аэродинамическую силу за счет малого угла атаки, а всего лишь поворачивать ее вектор в пространстве, то кренящую силу легко снизить до вполне допустимой величины.
Парус «клешня» испытывался и осваивался мною в течение трех сезонов. Под ним пройдена не одна сотня километров по Днепру, Десне, водохранилищам и озерам. Полученные в походах результаты подтверждают, что такая конструкция вполне достойна для применения на небольших туристических лодках. В отличие от традиционного парусного вооружения она позволяет существенно снизить кренящую силу с минимальным ущербом для тяги. Комфортность и безопасность плавания под «клешней» заметно выше. Бонусами — удобство прохождения под препятствиями (низкими мостами, нависшими ветками) и дополнительный зонтик на случай внезапного ливня.
По приведенным здесь трекам, записанным спутниковым навигатором, можно визуально оценить возможности этого паруса при хождении в лавировку. А вооружившись транспортиром, нетрудно определить, что минимальный угол хода лодки к ветру равен 40 — 45 градусам. Это очень неплохие показатели, особенно учитывая то, что парус установлен на обычной серийной лодке «Лагуна». В «девичестве» она имела 400-мм надводный борт, но после переоборудования ее в каютный шверцбот, он вырос до 950 мм, что прилично увеличило паразитную парусность и повлияло (в худшую сторону, понятно) на остроту хода. Впрочем, исходя из туристического предназначения судна, получившего имя «Бутузик», лавировочный угол в 80 — 90 градусов меня полностью устраивает.
Первоначально шверцбот был вооружен гафельным парусом, потом на помощь ему был добавлен стаксель. Все выглядело привычно и гармонично, но учитывая, что мачта была свободностоящей, а значит, довольно увесистой, при наличии бортовой качки, да при свежем ветре, при ширине лодки 1350 мм, приходилось всегда быть начеку. Возникла дилемма: либо переоборудовать лодку в тримаран, добавив пару поплавков (и веса, соответственно), либо вооружить ее «клешней», на которой (по циркулирующим тогда в парусной «сети» слухам) можно регулировать кренящий момент. Тяга к исследованиям и желание облегчить конструкцию победили.
Пример «клешни», используемой на легкой байдарке. Рейки сделаны из тонких трубок от палаточного каркаса
Этапы эволюции обычной гребной лодки «Лагуна» в швертбот «Бутузик». История началась с простого гафельного паруса…
…Затем появилась каюта, шверцы и стаксель, вынесенный на бушприте
А это уже «Бутузик» с установленной на нем «клешней»Что же представляет собой «клешня» на практике? Во-первых, это два рейка, к которым крепится (шнуруется или надевается карманами) полотнище паруса. Для «Бутузика», учитывая его не рюкзачный вариант и вес под 200 кг, рейками послужили алюминиевые трубы (сплав АД31, 5000x32x1 мм). Понятно, что Д16Т предпочтительнее, но в «закромах родины» на момент строительства такого материала не оказалось. В торцах рейков расположены деревянные заглушки, используемые как для соединения рейков между собой в галсовом углу, так и для крепления паруса на ноках. Во-вторых, само полотнище паруса. Первоначально я использовал тарпаулиновую пленку, потом ее же в комбинациях с тканями «Оксфорд», «плащевка», Taffeta, «пароизоляция». Принцип простой: чем сильнее ветер, на который рассчитывается парус, тем толще должен быть материал и наоборот.
Полотнище паруса можно крепить к рейкам с помощью шнуровки, продольных «глухих» или расстегивающихся на «молниях» карманов, люверсов или ликпаза. Что лучше? В этом вопросе все зависит от предпочтений конструктора. Я использовал «балийскую» схему со слаблинем, немного дополнив ее собственным решением изготовления шкаторины. В аутентичной версии ликтрос вшит в кромку шкаторины и к нему через каждые 100 — 150 мм пришит внешний трос, который и прихватывается слаблинем. У меня же кромка шкаторины изготавливается неширокой (где-то 70-100 мм), двойной и отдельно от паруса. А затем к ней пришивается основное полотно. Такая технология заметно облегчает швейные работы в режиме «на коленке».
Также, учитывая, что при пошиве очередной «клешни» наибольших усилий и времени требует как раз оформление шкаторины под слаблинь, основное полотно паруса можно быстро заменить, отпоров его и пристрочив новое к уже готовой кромке. Такое решение дает неограниченное пространство для любой самой буйной фантазии «клешнестроителей». Например, позволяет иметь сменные паруса на одних и тех же рейках: один для слабых ветров, своего рода «клешню»-спинакер, другой — ходовой среднего размера, и самый маленький на случай штормовой погоды. Однако для быстрой смены их надо шить или с карманами, или использовать иные способы — они есть.
Третья и, пожалуй, самая необычная деталь паруса «клешня» — это подвес с тремя степенями свободы. Впрочем, за столь «громким» названием скрывается обыкновенная веревка, выходящая из заглушки топа мачты, к которой привязан поперечный рей. Снасть «карданная веревка» закреплена по центру рея и уходит в мачту через грибок и заглушку топа. На удалении 300 — 400 мм вниз от топа она выходит из мачты через специальное отверстие и крепится с натягом на утке-стопоре.
Веревочный кардан, как достаточно важный элемент паруса, требует периодической инспекции на предмет разлохмачивания. Самый простой и экономный способ ремонта — укорачивание ее со стороны рея.
Поперечный рей — это еще одна деталь вооружения, позволяющая рейкам удерживаться от смещения вперед-назад относительно лодки, а также менять величину галсового угла и конуса «клешни», сходясь-расходясь по рею. Он может поворачиваться относительно топа мачты в любой плоскости благодаря своей «веревочной» связи с мачтой. Чтобы обеспечить подвижное соединение поперечного рея и рейков на них хомутами крепятся пластиковые (гардинные) кольца, в которые вставляются концы поперечного рея. Его можно изготовить из такой же трубы, которая используется на рейках. Длина определятся после примерочной сборки паруса. Изначально можно взять «полтора метра с кепкой», то есть с запасом, а затем заниматься последовательным укорачиванием. Варианты крепления к рею «карданной веревки» могут быть различными и не обязательно через тройник. Важно защитить ее от перетирания. На концах рея установлены деревянные заглушки, они же служат стопорами для поддерживающих (натягивающих) рейки снастей — штертиков.
Несколько слов о мачте, хотя ей скорее подходит термин «недомачта». Она изготовлена из трубы чуть большего диаметра, чем рейки и поперечный рей (35 — 40 мм). Конкретный диаметр должен быть согласован с диаметром принимающего мачту стакана — трубы, торчащей над палубой на 200 — 250 мм. Желательно, чтобы мачта входила в него свободно, с зазором, иначе при малейшей деформации ее заклинит. Труба стакана проходит через пяртнерс палубы и упирается в степс на килевой балке. Разделение на стакан и собственно мачту использовано для удобства постановки и снятия паруса. В стакане на глубине 250 мм находится деревянный упор — это ограничитель, на который опирается мачта с тем. чтобы она «не проваливалась» до степса. «Клешня» в сборе легко вставляется в стакан и таким же «легким движением руки» извлекается из него. Очень быстро! Больше времени уходит на проводку веревок (шкотов и галсов) через блоки и «организаторы».
Снасти для управлении парусом:1 — шкоты рейков; 2 — галсы
Проводка бегущего такелажа в кокпит:1 — шкот рейка (2 шт.); 2 — «организатор» (2 шт.); 3 — галс (2 шт.); 4 — утка-стопор (2 шт.)
Для управления парусом используются четыре снасти: два галса и два шкота рейков. Галсы закреплены в галсовом углу «клешни», в моем случае на гардинных кольцах, и проходят через блочки. Каждый через свой: подмачтовый через блок у мачты, а дальний галс через блок на бушприте. Два галса нужны для того, чтобы перемещать и фиксировать галсовый угол паруса на нужном расстоянии между мачтой и дальним блоком. Изменение их длины позволяет так же поднимать и опускать галсовый угол паруса. Галсы проходят через «организаторы» (пластины с отверстиями), установленные на палубе. После проводки на одном из галсов завязывается стопорный узел с таким расчетом, чтобы сорванный со стопоров парус занял положение параллельно воде.
Шкоты рейков представляют собой единую «бесконечную» снасть, пристегнутую карабинами к шпрюйтам рейков, которые крепятся к трубам рейков хомутами. Длину шкота следует подобрать по месту, чтобы не ощущалось ее нехватки при максимальной отдаче паруса вперед, и в то же время в кокпите не болтались лишние петли. На «Бутузике» шкоты рейков заведены напрямую на стопоры, но возможно использование проводки и через блоки. Для более «увесистого» паруса и большой площади палубы такое решение будет вполне обоснованным.
Высота «недомачты» и расположение поперечного рея на рейках (примерно в 1200 — 1500 мм от галсового угла) в идеале должны обеспечивать подтягивание галсового угла вплотную к мачте. И хотя положение паруса «рога строго вверх» даже на фордевинде используется редко, будет лучше, особенно для новичков, если подтянутый к мачте галсовый угол будет иметь возможность беспрепятственно переходить с борта на борт.
Еще один тонкий момент: не следует растягивать рейки, «выбивая» парус в плоскость. Это может быть оправдано только на попутных курсах в сильный ветер и на прочном такелаже. В остальных случаях штертики должны не натягивать парус как шкуру на барабане, а лишь поддерживать рейки от сваливания вниз, оставляя возможность потоку «выдуть» парус конусом, а капитану регулировать и контролировать его размер набивкой шкота подветренного рейка.
На курсе бейдевинд-галфвинд, изменяя крен «клешни» шкотами рейков и регулируя угол наклона галсового угла (угол тангажа), можно установить приемлемую для данных условий тягу по курсу, уменьшив кренящую составляющую до комфортного значения, то есть «зарифить» парус вплоть до вывода его в горизонтальный левентик (ГЛ). Находящийся в таком положении парус полощется на ветру, на нем не создается ни сила тяги, ни кренящая сила. Подобный способ отличается безступенчатостью «рифления» и высокой скоростью выполнения операции, исчисляемой секундами.
Положение ГЛ удобно при движении под веслами или мотором, при отходах от берега и причаливании, особенно в необорудованных местах, заросших деревьями, проходах под мостами или ЛЭП, а также для пропуска шквалов (впрочем, привычный вариант — отдать шкот нижнего рейка, здесь тоже работает).
Выведенный в горизонталь парус полностью теряет тягу и способен выдержать значительное усиление скорости воздушного потока, хотя конечный результат во многом зависит, разумеется, от прочности ткани, размеров полотнища, силы и направления ветра и волны. Волнение до определенного порога можно отыгрывать шкотами рейков, но в действительно сильный ветер и на большой волне лучше все-таки заменить ходовую «клешню» на штормовой парус либо следовать под рангоутом. И стараться не подставлять под ветер корму, точнее — свободную шкаторину паруса, находящегося в положении близком к ГЛ. Сильные порывы лучше принимать под небольшим углом спереди или сбоку, если позволяет волна. На таком курсе -острый бейдевинд — можно переждать усиление ветра, разобраться в ситуации и принять верное решение.
Как начинать движение под «клешней»? Рекомендую спускать лодку на воду с парусом в положении ГЛ. Мне неоднократно приходилось транспортировать «Бутузик» на колесной тележке на расстояния до километра, не снимая парус. Стопорил его горизонтально шкотами и галсами, и легко перемещал сие «безобразие» по суше. Не говоря уже о том, что по давно сложившейся привычке вставляю мачту вместе со всем вооружением в стакан до закатывания лодки в воду, и извлекаю ее после вытаскивания на сушу.
До того, как вы окажетесь на воде под парусом, определите направление ветра и оцените свободное пространство, а также возможности следовать либо по ветру, либо галсировать против него. В моей практике, особенно в период освоения «клешни», были ситуации, когда приходилось отходить от берега под веслами и только в 50 метрах от него начинать «дергать веревочки».
Если ветер дует спереди-сбоку — не трогая галсы, снимете со стопоров шкоты рейков и дайте «клешне» небольшой крен в 10-20 градусов, приподняв наветренный реек. Лодка сразу получит ход. В дальнейшем, если ветер умеренный, можно опустить вниз галсовый угол и изменить угол крена паруса. Следует помнить, что набивая галс нужно одновременно отдавать шкот наветренного рейка, иначе «клешня» не повернется, а от ваших усилий рейки изогнутся. Основной принцип: работа галсом и шкотом должна быть синхронизирована. Эта наука осваивается быстро.
При выходе на воду с попутным или попутно-боковым ветром первое, что надо сделать — это расстопорить дальний галс. Галсовый угол будет удерживаться на высоте, которую ему позволит длина подмачтового галса. Затем расстопорить шкоты рейков, плавно отдавать шкот наветренного рейка и набивать шкот подветренного. Почувствовав свободу, удерживаемая только шкотами, подвесом и одним галсом, «клешня» вынесет галсовый угол через диаметральную плоскость (ДП) лодки на ветер.
Не стремитесь растянуть парус шкотом подветренного рейка «в доску». Особенно на острых курсах. При его положении. близком к горизонту, составляющая сила тяги во многом создается благодаря прогибу конуса полотнища вверх.
На этом паруснике за три сезона мною успешно пройдена не одна сотня километров…При хождении под «клешней» следует помнить, что она сочетает в себе свойства и паруса, и воздушного змея. Ваша задача максимально использовать их для того, чтобы плавание было приятным и безопасным. Если же возникла аварийная ситуация, когда капитану самое время отдавать команду «рубить мачту», нужно снять с мачтового стопора «карданную веревку», после чего «клешня», подхваченная ветром, улетит от лодки на длину шкотов-галсов. Однако разумнее до этого не доводить, а своевременно реагировать на изменения погоды.
Удачного плавания!