КРЫЛО ИЛИ ПАРУС?

Вопрос, вынесенный в заголовок, все еще не нашел окончательного разрешения. Первые эксперименты по замене традиционного паруса вертикальным крылом, по профилировке и конструкции близким самолетному, не принесли ожидаемого результата. Дело в том, что за сотни лет своего существования парус превратился в прекрасное многорежимное устройство для преобразования силы ветра в тягу, сообщающую движение судну или буеру. Причем он достаточно эффективно работает как на полных, так и на острых курсах, при сильном и слабом ветре, при ровном его потоке и при шквалах. Помимо этого, парус является прекрасным прибором, позволяющим рулевому с высокой точностью настраивать его в соответствии с выбранным курсом и направлением ветра, его силой, возникающим креном парусника и другими параметрами движения.

Так при чем же здесь крыло, если у паруса столько неоценимых достоинств? Дело в том, что при всех своих положительных качествах парус имеет существенный недостаток: он обладает чрезвычайно низким «качеством» — термин сугубо аэродинамический, определяющий отношение коэффициента подъемной силы (для самолетного крыла) к коэффициенту лобового сопротивления. Физически это означает, что при равных условиях крыло заданной площади создает тягу во столько раз большую, во сколько раз качество его больше качества паруса той же площади.

Если вспомнить первые аэропланы, то поперечные сечения их крыльев были практически такими же, как и паруса тонкий выпукло-вогнутый профиль с достаточно острой кромкой. Помимо того, что подобный профиль обладал весьма низким качеством, он имел и крайне неудовлетворительную характеристику-поляру: подъемная сила возникала на крыле в крайне узком диапазоне углов атаки, а критический угол был угрожающе малым, и превышение его приводило к сваливанию самолетов того времени в штопор.

Если рассмотреть сечение паруса, то можно заметить, что это тоже вогнуто-выпуклая пластина с круглым или овальным утолщением — мачтой. Профиль такого типа крайне неудовлетворительно работает на острых курсах и подчас делает невозможным движение, близкое к направлению «левентик» (носом к ветру): происходит срыв потока, сопровождающийся заполаскиванием паруса и практически полной потерей его тяги Надо отметить, что ситуация меняется на полных курсах — когда ветер дует сбоку, сбоку-сзади и сзади. В этом случае парус явно эффективнее крыла. Правда, если это крыло не механизированное.

Первые попытки создания нового типа паруса с характеристиками, близкими крылу на острых курсах и парусу — на полных, предпринимались чуть ли не два десятилетия назад. Передней кромкой его стала сама профилированная поворотная мачта, сечение которой напоминало самолетный крыльевой профиль. В ликпаз мачты вставлялся узкий парус, усиленный сквозными латами. Такая законцовка и сама мачта имели практически одинаковые хорды, а вся система в целом, по сути, представляла собой крыло с гибким закрылком. Она уже обладала целым рядом преимуществ, но все же была вынужденным вариантом, так как сковывалась требованиями правил, существовавших в то время для некоторых классов катамаранов и буеров.

Буер с механизированным паруcом-крылом:

1 — оковка (стальной лист толщиной 3 мм), 2 — мачта (дюралюминиевая труба Ø 40Х1,5 мм), 3 — краспицы, 4 — ванты (стальной трос Ø 5 мм), 5 — штаг (стальной трос Ø 5 мм), 6 — крыло, 7 — закрылок, 8 — рулевое устройство, 9 — сиденье, 10 — корпус-обтекатель (фанера толщиной 3…4 мм), 11 — задний конек, 12 — поворотная вилка заднего рулевого конька, 13 — вилка переднего конька, 14 — передний конек, 15 — поперечная балка.

Логичным поэтому представляется переход к целиком жесткому механизированному крылу по типу самолетного, с жестким же закрылком, значительно увеличивающим коэффициент «подъемной» силы такого паруса на больших углах атаки и, следовательно, на полных курсах.

Крыло с закрылком:

1 — концевая нервюра крыла (фанера толщиной 10…12 мм), 2 — лонжерон (сосновые рейки 20Х60 мм), 3 — передняя кромка (сосновая рейка сечением 30X30 мм), 4 — нервюры № 7 и № 8 (фанера толщиной 5 мм), 5 — усиленная нервюра № 6 (фанера толщиной 10…12 мм), 6 — задняя стенка крыла (сосновая доска толщиной 20 мм), 7 — укороченные нервюры № 2—5 (фанера толщиной 5 мм), 8 — укороченная корневая нервюра (фанера толщиной 12 мм), 9 — корневая нервюра закрылка (фанера толщиной 12 мм), 10 — нервюры № 2—5 закрылка (фанера толщиной 5 мм), 11 — передняя кромка закрылка (сосновый брусок сечением 40X60 мм), 12 — внутренние расчалки крыла (капроновый или льняной шпагат, стальная проволока Ø 0,3 мм), 13 — диагональный элемент закрылка (фанера толщиной 5 мм), 14 — задняя кромка закрылка (сосновая рейка сечением 20X50 мм), 15— задняя кромка крыла (сосновая рейка сечением 20Х50 мм), 16 — раскосы лонжерона (сосновые рейки сечением 20X20 мм), 17 — обтекатель (фанера толщиной 5 мм), 18 — концевая нервюра закрылка.

Поначалу предполагалось, что поворотный закрылок будет на всю длину (точнее — высоту) крыла-паруса. Однако оказалось, что гораздо выгоднее, чтобы закрылок занимал лишь около 60% высоты крыла. Дело в том, что характеристика ветра на разных уровнях неоднородна: внизу его скорость несколько меньше, чем на высоте нескольких метров, кроме того, меняется и его вектор. Это означает, что угол атаки корневой части паруса-крыла относительно направления вымпельного ветра окажется больше, нежели у его концевой части. В идеальном случае неплохо было бы иметь «дробный» закрылок по всему размаху крыла, состоящий из нескольких секций, отклоняемых на разные углы Однако практически оказалось вполне достаточным оснастить закрылком лишь нижнюю часть крыла.

Все эти соображения легли в основу конструирования буера с жестким механизированным парусом-крылом площадью 5 м. Схема самого буера достаточно традиционна: трехточечная конструкция с задним управляемым коньком. Основанием корпуса служит собранная из сосновых брусков и фанеры рама; из фанеры же и обтекатель. Поперечная балка также деревянная — для нее подойдет прямослойная ровная доска толщиной 60 мм и длиной 3,3 м

На раму потребуется два продольных сосновых бруска сечением 25X60 мм и длиной 3,5 м и пять-шесть поперечных. Сверху и снизу они в сборе обшиваются фанерой толщиной 5 мм. Соединение деревянных элементов лучше всего вести на эпоксидном клее (однако пригоден и казеиновый). После отверждения клея и обработки полученной панели по наружному контуру на ней монтируется брусок основания (степс) мачты, а также опорный брусок рулевого конька.

Фанерный обтекатель собирается по упрощенной технологии Предварительно имеет смысл на небольшой модели (например, 1:5) уточнить конфигурацию элементов обшивки, вырезав их из плотной бумаги или картона, а потом уже перенести их очертания на фанеру. Далее в полученных заготовках вдоль стыкуемых кромок насверливаются с шагом 50—100 мм отверстия диаметром 2—3 мм, затем детали «сшиваются» мягкой медной проволокой. После соединения такими скрутками заготовок обтекателя все стыки изнутри заделываются эпоксидной шпаклевкой, состоящей из смолы и мелких древесных опилок. По завершении ее отверждения проволока снаружи удаляется кусачками-бокорезами, а изнутри стыки оклеиваются двумя-тремя слоями стеклоткани на эпоксидной смоле.

Но вот обтекатель установлен на панель основания, корпус снаружи прошпаклеван и зачищен. Остается оклеить его слоем стеклоткани и после финишных шпаклевок и окончательной зачистки окрасить синтетическими эмалями.

Поперечная балка буера — монолитная. Она вырезается из целой прямослойной доски толщиной 60 мм и максимальной шириной 320 мм. Если подобрать такое сечение затруднительно, балку можно склеить из двух-трех досок меньшей толщины. В готовом виде она имеет обтекаемую форму и переменное поперечное сечение. К панели основания балка крепится четырьмя болтами с резьбой М10 и гайками с шайбами; фиксируется двумя растяжками из стального троса Ø 4 мм со стандартными талрепами. На концах балки устанавливаются узлы подвески коньков.

Кстати, передние коньки амортизации не имеют: упругим элементом для них является сама поперечная балка. Задний управляемый конек может быть также без амортизатора, хотя отсутствие его несколько затрудняет управление буером. Но, в принципе, подрессорить его — задача не из сложных.

Управление рулевым коньком — тросовое, с приводом от руля автомобильного типа. Передача вращающего момента осуществляется стальным тросом Ø 3 мм, пропущенным через барабан Ø 60 мм на рулевой колонке, две пары направляющих роликов и двойной рулевой сектор Ø 250 мм. Барабан и ролики дюралюминиевые, точеные.

Поворотный узел паруса-крыла:

1 — велосипедная звездочка, 2 — мачта, 3 — крыло, 4 — малая велозвездочка, 5 — закрылок, 6 — ось поворота закрылка, 7 — поворотный узел, 8 — штифты цилиндрические Ø 6 мм, 9 — подпятник (дюралюминий), 10 — втулка (фторопласт, капрон или текстолит), 11 — винт М5, 12 — винт М5.

Одним из самых сложных элементов конструкции буера является механизированное крыло-парус. Собирается оно по классической «планерной» технологии. Для начала заготавливаются нервюры — для шести потребуется фанера толщиной 5 мм, а для трех (в том числе корневой и концевой) — толщиной около 12 мм. Для построения профилей нервюр советую воспользоваться таблицей из координат, каждое из значений которой выражено в относительных единицах (в процентах) от длины хорды профиля. Чтобы получить значения абсцисс и ординат соответствующего сечения паруса-крыла, нужно значение длины этого сечения последовательно умножать на табличное значение координат профиля. Следует отметить, что для паруса-крыла выбран профиль с относительной толщиной, равной 10%; он обладает высоким качеством и хорошо работает в большом диапазоне углов атаки.

Таблица координат профиля паруса-крыла.

Продольными элементами крыла-паруса являются лонжерон, носок и задняя кромка. Помимо этого, на участке от первой до шестой нервюры врезается стенка, разделяющая крыло на собственно крыло и закрылок.

Лонжерон — ферменной конструкции, его основу составляют верхняя и нижняя полки (сосновые рейки сечением 20X60 мм). После сборки он усиливается спереди и сзади рейками-раскосами, что и образует весьма жесткую ферму.

Передняя кромка — тоже сосновая рейка сечением 30X30 мм. Стыковка ее с нервюрами производится так: в кромке под них пропиливаются пазы, носок каждой из нервюр при этом обрезается, чтобы после сборки не было искажений профиля.

Приблизительно так же врезаются в нервюры задняя кромка и задняя стенка крыла. Здесь глубина пазов нужна в 10—15 мм.

Сборка крыла начинается с подготовки плаза. На ровном полу расчерчивается плановая проекция паруса-крыла с осями лонжеронов и нервюр. Далее на плазе закрепляется нижняя полка лонжерона, а на ней монтируются нервюры и закрепляются штапиками и эпоксидным клеем. Фиксация штапиков — небольшими гвоздями. Далее устанавливается на клею верхняя полка лонжерона и точно так же стыкуется с нервюрами.

Основание корпуса буера:

1 — поперечина (сосновый брусок сечением 20X60 мм), 2 — поперечины крепления степса мачты (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 3 — степс (сосна 60X80X80 мм), 4 — поперечины узла крепления поперечной балки буера (сосновые бруски сечением 20Х60 мм), 5 — площадки крепления поперечной балки (сосновые бруски сечением 50Х60 мм), 6 — 8 — поперечины (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 9 — поперечины узла крепления рулевого конька (сосновые бруски сечением 20X60 мм), 10 — установочная площадка рулевого конька (сосна 60X80X80 мм), 11 — законцовка (сосновый брусок сечением 60X60 мм), 12 — обшивка основания корпуса (фанера толщиной 5 мм), 13 — лонжероны основания (сосновые доски сечением 25X60 мм), 14 — носовая часть основания (сосновый брусок сечением 40Х60 мм).

Конек буера:

1 — лезвие конька (стальная полоса толщиной 8 мм), 2 — щека (бук или дуб), 3 — винт крепления щек к лезвию, 4 — втулка (труба стальная Ø 20Х3 мм, крепится к лезвию сваркой).

Поперечная балка буера.

Убедившись, что эти элементы крыла соединены без перекосов, можно перейти к монтажу передней и задней кромок, а также задней стенки. Операция эта производится с помощью эпоксидной шпаклевки — с введенными в смолу мелкими древесными опилками или зубным порошком. Далее каркас крыла фиксируется на плазе так, чтобы были исключены искривления или перекосы. После отверждения эпоксидного связующего лонжерон усиливается раскосами. Диагональные силовые элементы следует ввести и между нервюрами, что значительно увеличит жесткость крыла при его кручении. Для этого совсем не обязательны раскосы — можно натянуть внутрикрыльевые растяжки из прочного капронового или даже льняного шпагата. Чтобы обеспечить одинаковое натяжение, рекомендуется делать их из единой нити. Места стыков растяжек с элементами конструкции крыла фиксируются эпоксидным клеем.

Приблизительно так же собирается и закрылок. Правда, устроен он не в пример проще крыла: два продольных элемента (передняя и задняя кромки), нервюры и диагональные раскосы. Сборка нервюр с продольными элементами — с помощью врезки; диагональные вставляются враспор, фиксация — эпоксидным клеем.

Обшивка паруса может быть самой различной. Проще всего обтянуть его перкалем, покрыть три-четыре раза эмалитом, а затем нитрокраской. Лучше, конечно, оклеить крыло лавсановой пленкой по «модельной» технологии. Как это делается, можно узнать из публикаций журнала «Моделист-конструктор». Наконец, подойдет и обшивка из воздухонепроницаемой ткани — например, болоньи или технической типа «500».

Аналогично выполняется и закрылок. Он подвешивается к крылу на двух самодельных петлях так, чтобы ось поворота закрылка совпадала с плоскостью хорд крыла.

Механизированный парус имеет возможность поворачиваться вокруг неподвижно закрепленной мачты, представляющей собой дюралюминиевую трубу Ø 40Х1,5 мм (можно использовать спортивный прыжковый шест; деревянный вариант должен иметь увеличенный диаметр у основания — до 50 мм). При этом крыло опирается на подпятник, зафиксированный на мачте. Для облегчения поворота паруса на его корневой нервюре монтируется опорная втулка, выточенная из капрона, фторопласта или текстолита.

При повороте крыла относительно корпуса навешенный на петлях закрылок автоматически отклоняется в противоположную сторону. Это достигается благодаря установленным на мачте и закрылке велозвездочкам с передаточным числом около 1,5, кинематически связанным втулочно-роликовой цепью. Угол поворота закрылка приблизительно в полтора раза больше, нежели угол отклонения крыла. Следует отметить, что угол этот — а следовательно, и передаточное число цепного привода — подбирается опытным путем. Кстати, имеет смысл установить звездочку на мачте не жестко, а с помощью простейшего фиксатора — например, резьбовой шпильки с рукояткой. Это даст возможность настраивать крыло-парус применительно к условиям движения — курсу и скорости ветра.

Мачта буера устанавливается в выточенный из дюралюминия стакан-степс. На топе мачты закрепляется оковка с тремя ушками для штага и пары вант (из троса диаметром 5 мм и трех стандартных винтовых талрепов).

Регулировка положения паруса-крыла производится с помощью шкотового устройства, состоящего из пары двухшкивных блоков и капронового каната диаметром 8—10 мм.

Коньки — со стальным полозом. Специалисты, правда, утверждают, что более подходит для этой цели бронза, однако разница между ними не слишком заметна. Щеки коньков — деревянные, желательно из бука или дуба. С полозом они соединяются винтами и гайками с резьбой М6 или М8.

Отладку буера следует производить в процессе пробных заездов. Предварительно имеет смысл к поверхности паруса-крыла подклеить (например, пластилином) тонкие нити-шелковинки длиной около 200 мм. Желательно, чтобы на каждой стороне паруса-крыла их было не менее пяти-шести десятков, причем наиболее интересны для контроля при пробных заездах зоны максимальной толщины крыла и оси поворота закрылка. Шелковинки наглядно подскажут вам о приближении срыва потока и позволят подобрать оптимальные соотношения между углами отклонения закрылка и самого паруса-крыла.

В. ЕВСТРАТОВ, инженер