Аэродинамическое качество паруса

Термином аэродинамическое качество паруса обозначают вполне определённое число – отношение величины подъёмной силы к величине лобового сопротивления К = Y / X =
C_Y / C_X . Такое именование этого отношения обусловлено тем, что именно оно определяет качество паруса как ветрового движителя.

Сила лобового сопротивления Х возникает при обтекании любого тела, лишь бы оно имело достаточную поверхность, обращённую к ветру. Значительные усилия конструкторов машин, предназначенных для движения в воздушной среде, направлены на уменьшение силы Х. Эта сила направлена всегда в ту же сторону, что и движение ветра, поэтому её можно использовать только для плавания по ветру. Если бы парусное судно ограничивалось использованием только силы Х, оно было бы целиком в зависимости от направления ветра и не могло бы двигаться во встречном к ветру направлении. То есть, уйдя из одного места в другое на парусном судне, мы должны были бы ожидать смены погоды, смены ветра, чтобы вернуться обратно. К счастью, хорошие парусные суда могут ходить как по ветру, так и навстречу ветру почти с одинаковой скоростью. Именно этим и определяется практическая ценность парусного судна. В противном случае никогда бы развитие парусного мореплавания не получило такого размаха, какой наблюдался в эпоху до изобретения паровых двигателей.

Движение парусного судна навстречу ветра может осуществляться только за счет подъемной силы паруса Y. Будучи направлена перпендикулярно ветру, она всегда имеет определенную составляющую вперед по движению судна, если только нос судна не направлен строго против ветра (см. рис. 3.7).

Рис. 3.7.

Тогда, если мы каким-либо образом исключим возможность бокового сноса судна, оно под действием подъемной силы будет идти вперед при любом курсе, лишь бы был какой-нибудь, пусть малый, угол между направлением ветра и направлением судна. Однако прямо против ветра даже подъемная сила двигать судно не может. Но это не беда: достаточно лишь отклониться от направления ветра, как судно пойдет ему навстречу. Если же из точки А (рис. 3.7) необходимо попасть в точку В, находящуюся прямо в направлении, от которого дует ветер, следует после того, как судно достаточно прошло одним галсом, отклоняясь от цели, сделать поворот на другой галс, и уклониться в другую сторону так, чтобы попасть как раз в заданную точку.

Этот способ движения парусного судна против ветра называется лавировкой. Способность к лавировке определяется как раз подъемной силой, точнее соотношением величины подъемной силы к величине лобового сопротивления. Наличие лобового сопротивления приводит к тому, что при лавировке встречный ветер все-таки сносит судно назад, и если поставить судно под слишком малым углом к ветру, то лобовое сопротивление будет тянуть его назад с большей силой, чем подъемная сила – вперед. Иначе говоря, следует при лавировке выбирать оптимальный угол движения к ветру (угол лавировки) такой, при котором имеется достаточная тяга вперед, но уклонение от направления ветра не слишком значительно.

Способность к лавировке в наибольшей степени и напрямую определяется аэродинамическим качеством судна – отношением величины подъемной силы парусов к силе лобового сопротивления.

Аэродинамическое качество паруса в первую очередь зависит от угла атаки. Как при очень малых углах атаки (около 0°), так и при очень больших подъемная сила снижается до нуля. Следовательно, до нуля снижается и качество. При отклонении потока воздуха от нулевого угла атаки подъемная сила паруса резко растет, а лобовое сопротивление остается практически постоянным. Поэтому максимальное аэродинамическое качество паруса наблюдается при небольших углах атаки. Точке максимального качества на поляре паруса соответствует та точка, где поляры касается луч, проведенный из центра координат. Соответствующий угол является оптимальным углом установки паруса при лавировке против ветра. Его величина обычно находится где-то около 15°. Следует обратить внимание на то, что в точке оптимального качества парус развивает не максимальную подъемную силу, а обеспечивает наилучшее соотношение подъемной силы и лобового сопротивления.

Снижение аэродинамического качества паруса при увеличении угла атаки происходит по двум причинам. Первая состоит в том, что равнодействующая разницы давлений по сторонам полотнища паруса, направленная перпендикулярно поверхности паруса, отклоняется от перпендикуляра к направлению воздушного потока, и часть ее дает вклад в силу лобового сопротивления. Вторая причина – в том, что начиная с некоторого критического угла атаки поверхность паруса в задней его части оказывается сильно отклоненной от исходного потока, поэтому струи воздуха отрываются от поверхности паруса, и за точкой отрыва образуется область завихрений с повышенным давлением и потерями энергии на вихреобразование. При этом одновременно снижается подъемная сила и возрастает сопротивление.

Рассмотрим теперь влияние различных конструктивных особенностей на аэродинамическое качество и тяговые свойства паруса.