ПАРУС-АВТОМАТ

На протяжении тысячелетий парус верой и правдой служил людям, помогая им преодолевать моря и океаны. Но под натиском пара и электричества ему пришлось уступить свою монополию единственного судового движителя. Был период, когда паруса почти исчезли с водных просторов. И все-таки тяга к романтике, желание проверить свои силы в единоборстве с ветром и волнами в душе человека не умерли.

Наверное, именно поэтому в наши дни парус переживает период возрождения. Теперь область применения его достаточно широка: это и спортивные яхты — от маленьких гоночных швертботов до огромных океанских крейсеров, по своим скоростным качествам превосходящих знаменитые чайные клипера прошлого века; и радиоуправляемые модели, изготавливаемые из современных «авиакосмических» материалов, служащие своеобразными плавучими лабораториями для апробации новых технических решений; и вспомогательное парусное вооружение для гребных и моторных судов, расширяющее их возможности; и новые классы туристских байдарок, катамаранов и плотов, которым применение паруса позволяет выходить на открытые просторы больших озер и водохранилищ.

Научно-техническая революция не оставила без внимания парус. Его оптимальная форма, методы раскроя и конструкция подбираются на основании сложных расчетов, проводимых с использованием ЭВМ. Нередко паруса спортивных судов продуваются в аэродинамических трубах. Созданы новые синтетические материалы с поистине фантастической прочностью. Например, применяемое для пошива парусов гоночных яхт волокно «кевлар» имеет в три раза большую прочность на растяжение, чем сталь.

Р и с. 1. Схема для расчета скл, действующих на парусное судно:

1 — корпус судна, 2 — парус, L — угол атаки, Т — сила тяги, Д — сила дрейфа, R — результирующая сила.

Рис. 2 Изменение оптимального профиля паруса в зависимости от силы ветра:

1 — для слабого ветра, 2 — для сильного ветра; В ширина паруса.

Р и с. 3. Способы профилировки паруса (А — с помощью серпов, Б — с помощью закладок):

1 — серп по передней шкаторине 2 — серп по нижней шкаторине, 3 — закладки.

Рис. 4. Условная схема «самонастраивающегося» паруса:

1 — площадь, которая должна быть легко растяжимой, 2 — площадь, которая должна быть недеформируемой.

Но, пожалуй, наиболее интересным и полезным для практического применения стало появление парусов, автоматически настраивающихся на определенные ветровые условия. Их конструкция обладает тем замечательным свойством, что с изменением силы ветра парус самостоятельно меняет форму таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность соответственно новым условиям.

Прежде чем понять, каким путем это достигается, и определить принцип действия «самонастраивающегося» паруса, вспомним, как работает обычный парус. На установленном под определенным углом к направлению ветра полотнище возникает сила давление, которая и движет судно вперед. Поток воздуха, встречая на своем пути парус и наталкиваясь на его наветренную часть, давит на нее; на подветренной стороне образуется разрежение. Давление с наветра и разрежение с подветра складываются в результирующую силу R, направленную примерно перпендикулярно к плоскости паруса. Эту силу по правилу параллелограмма можно разложить на две составляющие, соответственно по направлению движения яхты и перпендикулярно к нему. Сила Т, которая тянет судно по направлению движения, называется силой тяги. Сила Д вызывает снос судна в сторону (дрейф) и поэтому называется силой дрейфа. Несмотря на то, что сила дрейфа обычно составляет значительную величину по сравнению с силой тяги, парусные суда продвигаются вперед благодаря тому, что их сопротивление в продольном направлении движения во много раз меньше, чем в поперечном. Очевидно, что необходимо всемерно стремиться к увеличению силы тяги и уменьшению силы дрейфа, так как последняя, вызывая крен судна и снос его под ветер, снижает скорость продвижения в нужном направлении.

Величина и соотношение сил тяги и дрейфа определяется главным образом углом атаки паруса и его профилем. Для того чтобы это соотношение было оптимальным, необходимо, чтобы профиль паруса соответствовал данным ветровым условиям (рис. 9). При слабом ветре лучше тянут более «пузатые» паруса, с максимальным профилем 10…12%. Однако с усилением ветра быстро возрастает сила дрейфа, и скорость судна падает. В этом случае более эффективным оказываются плоские паруса с относительным профилем 6…8%.

Профилировка парусов создается, как правило, специальным покроем кривых (выпуклых) передней и нижней шкаторин; эту кривизну принято называть «серпом» (см. рис. За). Поставленные на прямом рангоуте или штаге, эти шкаторины, выпрямляясь, и создают «пузатую» форму паруса. Другим способом получения профиля является устройство клиновидных закладок (вытачек) по швам передней шкаторины (рис. 36). На практике часто применяют комбинацию этих двух способов.

Главным недостатком такого традиционного паруса является то, что его профиль наилучшим образом подходит только для определенного ветра. Но ветер никогда не бывает постоянным! Поэтому с его усилением в парусе многократно возрастают напряжения. Естественно, что ткань растягивается и «пузо» паруса увеличивается. А ведь это прямо противоположно тому, что нам хотелось бы иметь. Так что при свежем ветре для уменьшения крена и дрейфа яхты приходится менять парус на наиболее плоский. А при слабом вновь придется ставить «пузатый», обладающий лучшими тяговыми характеристиками.

Как же сделать так, чтобы один и тот же парус мог оптимально работать в широком диапазоне силы ветра, становясь более плоским при его усилении и полным при ослаблении!

Задача эта в принципе разрешима. Возьмем в качестве упрощенной модели часть сферической поверхности и посмотрим, каким образом можно уменьшить ее кривизну. Очевидно, что это реально сделать, существенно растянув ее края и оставляя центральную часть неизменной. Итак, первый вывод — середина паруса должна быть пошита из жесткой нерастяжимой ткани, а шкаторины — из более легкой. Тогда, растягиваясь под нагрузкой, они позволят парусу приобретать более плоскую форму. На практике из легкой, деформируемой ткани изготавливаются только передняя и нижняя шкаторины. Заднюю усиливают, так как вдоль нее действуют максимальные усилия. На рисунке 4 показана условная схема «самонастраивающегося» паруса, у которого усилены центральная часть и задняя шкаторина.

Р и с. 5. Схема структуры ткани для изготовления паруса.

Р и с. 6. Характер распределения напряжений в полотнище паруса (размеры стрелок соответствуют величине напряжений).

Рис. 7. Типы «самонастраивающихся» парусов:

А — «генуя-компенсатор», Б — парус радиального покроя, В — парус «трирадиального» покроя, Г — парус конструкции В. Скачкова.

Очень важными факторами, влияющими на конструкцию паруса, являются свойства материала и характер возникающих в нем напряжений. Ткань состоит из продольных нитей (основы) и переплетенных с ними перпендикулярных (утка). По технологическим требованиям для основы применяются наиболее толстые и крепкие нити, поэтому и прочность ткани в продольном направлении больше, чем а поперечном. И в наименьшей степени ткань способна противостоять растяжению по диагонали. Исходя из этого, раскройку материала следует осуществлять так, чтобы нити основы лежали вдоль пинии действия максимальных напряжений. А там, где ткань должна растягиваться, целесообразно расположить полотнище таким образом, чтобы усилия были направлены по диагонали к основе.

Первым практическим воплощением идей «самонастраивающегося» паруса явилось создание в середине 1970-х годов так называемой «генуи-компенсатора» (рис. 7а). Передняя и нижняя шкаторины у нее сделаны из легкой ткани, а остальная часть из более тяжелой (либо двухслойной). Сопряжение полотнищ ткани разной жесткости выполнено по радиусу, чтобы уменьшить возникающие здесь местные напряжения. Профилировка паруса осуществлена традиционным способом — серпами по шкаторинам и закладкам и по передней шкаторине.

Дальнейшие поиски и эксперименты привели к созданию парусов «радиального» покроя. У них полотнища ткани расположены по радиусам, выходящим из шкотового и фалового углов, то есть находятся на линиях максимальных напряжений. Это позволило получить «самонастраивающиеся» паруса, обладающие не только отличными универсальными характеристиками, но и существенно меньшим весом. Парус радиального покроя примерно на 30…40% легче традиционного, обладающего такой же прочностью. Правда, его профилировка осуществляется несколько сложнее: путем расположения закладок по центральному поперечному шву и в передней части нижних полотнищ, а также устройством серпов по шкаторинам.

Хотя эти паруса по своим эксплуатационным характеристикам существенно превосходят традиционные, но и они не лишены недостатков. Пожалуй, самым серьезным из них является возможность растяжения по линии АВ (см. рис. 76). Это вызывает увеличение профиля под воздействием больших нагрузок и а конце концов сводит на нет его преимущества. Чтобы избежать подобных неприятностей, было предложено по линии АВ вставить клин из жесткой, нерастяжимой ткани, выходящей из галсового угла. Таким образом, четко фиксируется середина паруса и появляется хорошая возможность варьировать профилем паруса в зависимости от сипы ветра. Поскольку полотнища ткани располагаются по радиусам, выходящим из всех трех углов, такой покрой получил название «трирадиального» (см. рис. 7в). Впервые паруса этого типа появились при подготовке к соревнованиям на Кубок Америки, проводившимся в австралийском городе Перте в конце 1986 — начале 1987 года. Они оказались настолько эффективными, что уже в течение года аналогичный метод покров стал основным для гоночных судов, особенно морских крейсерских яхт. Сшить такой парус достаточно сложно. Профиль его обеспечивается специальным покроем радиальных полотнищ, которые имеют небольшую кривизну боковых сторон. Причем здесь должна соблюдаться точность до 1 мм и выше. Поэтому, приступав к экспериментам с «трирадикальными» парусами, следует быть готовым к длительным поискам и неудачам.

Гораздо проще и удобнее в применении другой метод раскроя, предложенный три десятилетие назад советским парусным мастером В. Скачковым. Впоследствии он был незаслуженно забыт, пока в конце 1970-х годов его не использовали американцы при пошиве парусов яхт-«двенадцатиметровиков». Суть этого метода заключается в том, что полотнища ткани располагаются перпендикулярно не прямой, соединяющей фаловый и шкотовый углы, как это делается у традиционного паруса, а некоторой вогнутой кривой (показанной на рисунке 7г пунктирной линией). Стрела прогиба этой кривой должна находиться в пределах З…6% длины задней шкаторины. Они определяются экспериментальным путем в зависимости от свойств применяемой ткани. При усилении ветра и большем натяжении задней шкаторины нити утка, расположенные параллельно вогнутой кривой, будут стремиться вытянуться и тем самым оттягивать назад «мякоть» паруса, сделать его более плоским. Профилируется парус обычными способами — устройством серпов по шкаторинам и закладок по швам.

Таковы основные принципы действия «самонастраивающихся» парусов и некоторые общие особенности их конструкции и раскроя. Дать более конкретные рекомендации невозможно, так как очень большую роль имеют свойства применяемой ткани, размерения и назначение судна, характеристики рангоута, условия эксплуатации и т. д. Найти оптимальный раскрой можно только в результате поисков и экспериментов. На этом пути неизбежны и неудачи. Главное — настойчивость и упорство, и тогда вы сможете получить парус, который будет намного прочнее, легче и долговечнее традиционного и будет обладать универсальными свойствами, существенно расширяющими область его применения.

В. МУРНИКОВ