Действие аэродинамических сил на судно

До сих пор мы рассматривали возникновение сил на парусе без учета того, что парус расположен на судне и эти силы действуют в конечном счете на судно. В зависимости от положения паруса и направления ветра аэродинамическая сила паруса может быть направлена под любым углом к продольной оси корпуса, вдоль которой должно двигаться судно. Поэтому не вся аэродинамическая сила паруса соответствует движению судна по курсу (см. рис. 3.15).

Рис. 3.15.

Та ее часть, которая направлена вдоль оси корпуса, вносит прямой непосредственный вклад в движение и называется силой тяги (F_т). Та часть, которая направлена перпендикулярно оси, приводит к сносу поперек курса (дрейфу) и называется силой дрейфа (F_д). Эта сила приводит также к крену судна и поэтому еще называется силой крена. Величина этих сил определяется углом, под которым направлено судно относительно ветра (β – угол ветра) и углом, под которым установлен парус относительно ветра (α – угол атаки). В свою очередь, угол атаки определяется углом, под которым установлен парус относительно диаметральной (осевой) плоскости судна (γ – угол установки паруса). α + γ = β

Кроме аэродинамических сил паруса на судно действует также сила лобового сопротивления корпуса F_с , которая также дает дополнительный вклад в силу дрейфа F_д‘, и в силу тяги F_т”. Сопротивление корпуса всегда увеличивает силу дрейфа, а вклад в тягу может быть как положительным, так и отрицательным. Сопротивление корпуса в дальнейшем будет учитываться как дополнительная часть в лобовом сопротивлении паруса: F_х = X + F_с

Влияние аэродинамических сил на движение судна зависит от его положения относительно ветра, или направления движения судна (курса). Различают следующие курсы парусного судна по их соотношению с направлением ветра (см. рис. 3.16). Курс фордевинд характеризуется совпадением направления движения судна и ветра. Курс бакштаг соответствует ветру, дующему сзади-сбоку (угол ветра от 90˚ до 180˚). На курсе галфвинд ветер дует сбоку. При курсе бейдевинд ветер дует сбоку-спереди (угол ветра менее 90˚). На курсах бейдевинд и бакштаг различают острые и полные курсы в зависимости от величины угла ветра. В тех случаях, когда ветер дует почти прямо с носа судна (угол ветра менее 30˚), паруса не могут обеспечить эффективного движения судна: такое положение судна относительно ветра называется левентик.

Рис. 3.16.

При этом нужно учесть, что, поскольку судно движется, на паруса действует поток воздуха, обусловленный как ветром, так и собственным движением судна. Этот поток называется вымпельным ветром; именно относительно него и рассматриваются курсы судна.

Легче всего представить себе действие парусов на курсе фордевинд. При этом сила тяги совпадает с силой лобового сопротивления. Следовательно для получения максимальной скорости необходимо поставить паруса в положение максимального лобового сопротивления. Как видно на полярах парусов, почти всегда такое положение соответствует расположению паруса поперек курса и поперек ветра. Впрочем, небольшие отклонения от поперечного расположения паруса мало влияют на величину силы тяги, но приводят к возникновению силы дрейфа.

Дрейф отрицательно сказывается на скорости судна, так как приводит к увеличению гидродинамического сопротивления корпуса. Поэтому возникновению аэродинамической силы дрейфа следует всячески противодействовать. При многопарусном вооружении на курсе фордевинд паруса следует располагать «бабочкой», по разные стороны от продольной оси судна так, чтобы они перекрывали возможно больше сечение ветрового потока, а возникающие на них силы дрейфа компенсировали бы друг друга.

Работа парусов на курсе бакштаг мало отличается от фордевинда. Оптимальное положение парусов следует выбирать из двух возможностей: поперек направления ветра и поперек направления курса. В первом случае лобовое сечение паруса будет наибольшим и аэродинамическая сила достигнет максимума, но она будет иметь вредную компоненту, приводящую к дрейфу. Во втором случае суммарное усилие на парусе может оказаться несколько меньше, но оно целиком будет создавать полезную силу тяги.

На курсе галфвинд ветер дует поперек направления судна, поэтому сила тяги образуется только за счет подъемной силы парусов. Аэродинамическое сопротивление образует силу дрейфа, которая приводит к вредному крену судна, смещению под ветер и ухудшению условий обтекания подводной части корпуса. Таким образом, на галфвинде существенным становится аэродинамическое качество судна: подъемную силу паруса необходимо всячески повышать, а силы сопротивления – снижать.

Чрезвычайно важным вопросом на галфвинде становится выбор угла установки паруса. Именно на этом курсе (при слабом ветре) можно часто наблюдать, как два одинаковых судна, идущих рядом в одном направлении, имеют скорости, различающиеся чуть ли не вдвое потому, что одно из них несёт паруса слишком выбранными (под слишком большим углом атаки). На рис 3.5 в разделе 3.1 было показано, насколько сильно меняется подъёмная сила в зависимости от угла атаки. При галфвинде подъёмная сила и является силой тяги по курсу, так что величину её можно непосредственно определить по полярам. Такое исследование показывает, что бермудский парус развивает максимальную тягу при установке паруса около 75˚ к диаметральной плоскости, что соответствует углу атаки в 15˚. При этом тяга составляет около 95% от максимальной результирующей аэродинамической силы на парусе. Такая постановка паруса возможна только при отсутствии вант. На мачте с вантами минимальный угол атаки будет около 30˚. При этом сила тяги также достаточно велика – до 80% максимальной. Но при дальнейшем увеличении угла атаки за счёт выбирания паруса к диаметральной плоскости судна сила тяги существенно падает, доходя до 40% при угле атаки 60˚. Одновременно стремительно возрастает сила дрейфа – от 30% до 80% максимальной аэродинамической силы. Из такого рассмотрения мы должны сделать вывод, что на галфвинде (также как и на остром бакштаге) грот должен быть растравлен до вант, но так, чтобы ванты не сильно искажали его профиль, что само по себе ведёт к снижению аэродинамического качества паруса.

Курс бейдевинд является самым важным для оценки качества парусного вооружения. Как видно из рис. 3.15, на этом курсе только часть подъемной силы Y создает тягу F_т, в то время как другая ее часть входит в силу дрейфа. Аэродинамическое сопротивление как корпуса F_с, так и паруса X оказывают вредное влияние не только тем, что приводят к крену и дрейфу судна, но и тем, что создают силы противотяги, которые вычитаются из тяги парусов. Обычным является превышение суммарной силы дрейфа F_рс над суммарной силой тяги F_тс. Вопрос о том, почему же все-таки судно движется вперед, в сторону меньшей силы, а не в бок, в сторону большей силы, мы отложим на потом (см. разделы 3.2 и 3.3), а пока примем это как факт и рассмотрим, каким способом можно увеличить необходимую для движения силу тяги.

Поскольку подъемная сила дает положительный вклад в тягу, а лобовое сопротивление – отрицательный, их отношение, называемое аэродинамическим качеством, напрямую характеризует тяговые возможности парусного вооружения, и все, что было сказано о повышении качества паруса в разделе 3.1.3 способствует ходкости судна на бейдевинде. Не менее важным фактором является угол установки паруса, который выбирается экипажем в процессе плавания.

На рис 3.19 и 3.20 показана раскладка аэродинамических сил на курсе крутой (острый) бейдевинд (угол ветра β ≈ 45°), при котором типичное туристское судно лавирует наиболее эффективно. На первом рисунке угол атаки паруса α = 15°. При этом подъемная сила Y максимально, а сила лобового сопротивления X близка к минимуму. С учетом дополнительного сопротивления F_x‘, результирующая аэродинамическая сила R направлена примерно под углом 60° к курсу. В итоге сила тяги F_т равна 50 % подъемной силы, а сила дрейфа F_д - около 90%.

На втором рисунке изображен случай, когда парус поставлен слишком круто, образуя угол атаки 30°. При этом величина подъемной силы Y уменьшилась всего на 10%, но существеннее то, что увеличилась более чем вдвое сила лобового сопротивления X. По этой причине результирующая аэродинамическая сила R направлена теперь под углом около 75° к курсу, и сила тяги составляет всего 20% от возможного максимума подъемной силы, т.е. снизилась по сравнению с предыдущим случаем в два с половиной раза.

Это рассмотрение показывает, что на бейдевинде незначительные перемещения паруса могут приводить к радикальным изменениям величины силы тяги. Искусство рулевого состоит в том, чтобы обеспечивать ее максимальное значение в течение всего плавания. Поскольку обычные мягкие паруса при углах атаки менее 15° практически не работают, так как начинают заполаскивать, то в оптимальном положении парус находится на грани заполаскивания, а дальнейшее выбирание шкотов приводит к потере силы тяги.