Парусное крыло. Качественное рассмотрение работы паруса как крыла Большие буфера с парусом крылом

Скоростной экологически чистый транспорт

Абсолютный мировой рекорд скорости на воде для парусного судна - это 46.52 узла (86.16 км/ч), причем скорость рекордсмена - трехточечного аппарата "Еллоу Пэйджес Энде-вур" превышала скорость ветра (20 узлов) в два с лишним раза.
Мировой рекорд скорости на буере гораздо выше - 230.1 км/ч. Он установлен еще 60 лет назад на одном из североамериканских озер. На колесной (пляжной) яхте рекорд скорости превышает 160 км/ч. Как видим, минимальное сопротивление коньков и отсутствие дрейфа обеспечивают максимальную скорость паруснику, движущемуся по льду.
Для движения под парусами по воде условия наиболее неблагоприятны. Во-первых, это высокое гидродинамическое сопротивление, резко возрастающее с увеличением скорости. Во-вторых, чтобы развить высокую скорость, необходим очень сильный ветер, а чем он сильнее, тем выше волны, увеличивающие сопротивление воды движению яхты. В-третьих, с усилением ветра все более существенную долю сопротивления добавляют крен и особенно - дрейф яхты под ветер. А не препятствовать росту крена и дрейфа - не выставишь паруса на максимальную тягу, не будет скорости.
Вот и приходится для увеличения скорости на воде идти на всякие хитрости. А в результате тот же нынешний рекордсмен мира трехточечный "Еллоу Пэйджес Эндевур" (см."КиЯ" № 159) уже практически ничем не напоминает традиционную килевую яхту, пути совершенствования которой уже в значительной мере исчерпаны.
Характерно, что до "ЕЛЭ" в течение шести лет мировой рекорд скорости на воде под парусом держала парусная доска, также имеющая с классической яхтой очень мало общего. При площади паруса всего 4 м2 такой глиссирующий парусник имеет минимальное водоизмещение и, следовательно, минимальное гидродинамическое сопротивление. И дрейф, и крен доски яхтсмен парирует собственным весом, намного превышающим вес виндсерфера, и гидродинамической силой, возникающей на шверте. Совместить это с управлением, обеспечивающим наивысшую эффективность паруса при достаточно сильном ветре очень трудно, не говоря уже о том, что само удержание паруса в руках требует огромного усилия. Одно хорошо: если не считать разгона, само движение по мерной 500-метровой трассе занимает менее полминуты...
Конечно, на маленькой глиссирующей доске против даже не очень высокой волны не пойдешь. Заезды на побитие рекорда проводят только на узких каналах, на ограниченной поверхности которых волны не успевают развиваться даже при ветре 20 м/с.

Рисунок из " Описания изобретения к Авторскому свидетельству 8 и 1699860 А 1 - Виндг - ляйдер ". Автор - Ю. В. Макаров. Воплощение идеи совмещения виндсерфера и дельтаплана, а - план; 6 - вид сбоку при разгоне левым галсом ", в - вид спереди при у становившемся движении.

Но вот что интересно. Профессионалы-виндсерфисты, выступающие в соревнованиях по "вейву" - на прибойной волне, не гонятся за скоростью движения, но с парусом в руках демонстрируют чудеса акробатики.
Например, разогнавшись, яхтсмен ставит парус горизонтально на ветер и, взлетев на 2-3 м, продолжает полет в течение 8-10 секунд, при этом держится за гик, как за трапецию дельтаплана. Завершается неуправляемый полет падением виндсерфиста спиной в воду. Оно и неудивительно. Полет неустойчив, аэродинамическое качество такого варианта "летательного аппарата" не превышает 1.5-2.0.
Вид парусной доски во время такого полета под парусом является "дружеским шаржем" на дельтаплан. И действительно. Мы видим то же крыло-парус, только в два раза меньшей площади, а вместо трапеции поперек размаха крыла дельтаплана - гик паруса. Однако на парусной доске - много не полетаешь (балансирное управление не предусмотрено), а на дельтаплане - не разгонишься, используя энергию ветра. Попробуйте манипулировать крылом дельтаплана относительно ветра при размахе крыла 10 м и весе больше 30 кг!
И тут невольно возникает вопрос. А что, если совместить эти два устройства в единую конструкцию для расширения их области применения?
В процессе проектирования действительно удалось так оптимизировать конструкцию дельтаплана, чтобы его можно было использовать в качестве крыла-паруса виндсерфера.
Идеальным парусом является планер-паритель, давно и успешно эксплуатируемый в спортивной авиации. Используя его, можно создать ряд интереснейших парусников. Результаты этой работы были доложены еще в 1979 г. на I Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Исследование, проектирование и постройка современных парусных судов". Во-первых, был спроектирован дельтаплан широкого назначения с новой компоновочной схемой. Это - жесткое составное крыло, центроплан которого имеет малое удлинение и дугообразную заднюю кромку, а консоли пристыкованы под углом 30° к центроплану и соединены подкосом, который и служит трапецией управления.
Такой дельтаплан можно использовать в традиционном варианте, т.е. для полетов со склонов, в качестве мотодельтаплана, но также и как парус с повышенным аэродинамическим качеством для виндсерфера-катамарана или легкого буера. Дельтапланерист на роликовых коньках может разъезжать с большой скоростью, например - по взлетно-посадочной полосе в любом направлении - меняя галс. Зимой на коньках по хорошему льду он может развивать скорость больше 160 км/ч. Можно двигаться и на лыжах, причем возможности выбора площадки для полетов с помощью ветра будут гораздо шире, особенно в северных районах страны.
Достоинство этого многофункционального дельтаплана в том, что его можно использовать для взлета с помощью энергии ветра.
Происходит это так. Дельтапланерист на коньках или лыжах устанавливает крыло-парус (т.е. дельтаплан) вертикально - под углом к ветру и начинает разгон. По мере увеличения скорости он доворачивает крыло на истинный ветер и достигает скорости 80-130 км/ч (в зависимости от условий взлетной полосы - асфальт, лед, плотный снег). Теперь он устанавливает крыло горизонтально и, увеличив его угол атаки, плавно набирает высоту 20-30 м и совершает планирующий полет. Конечно, полет в этом случае существенно отличается от кратковременного полета на парусе виндсерфера. Здесь обеспечено заданное положение центра тяжести относительно хорды крыла (что обеспечивает устойчивость полета) и главное - имеется классическая балансирная система управления с рулевой трапецией. Набор высоты осуществляется за счет высокой скорости движения, набранной перед взлетом. Если учесть, что минимальная(посадочная)скорость полетадельтапланаЗбкм/ч (при нагрузке на крыло около 10 кг/м2), а скорость в момент движения взлета 80-130 км/ч, т.е. в два-три раза выше, то дельтапланерист может продолжать набор высоты, пока скорость не упадет до 40-45 км/ч. Достигнутая высота 30 м - будет являться динамическим потолком дельтаплана для данных условий полета.
Интересно отметить, что довоенный истребитель И-16 после разгона в горизонтальном полете у земли, набрав максимальную скорость (400 км/ч), мог вертикально выскочить на высоту 700 м, выполняя при этом восходящий штопор. А известный летчик Б.К.Подошва на пилотажном планере А-13 на воздушном параде в Тушино проходил над всем полем головой к земле на высоте 3 м на скорости 360 км/ч, а затем вертикально уходил на высоту 400 м.
Конечно,дельтаплану-паруснику такие скорости и динамические потолки не требуются. Ему нужны скорость около 150 км/ч, простор и полет на высоте 1.5-2 м с большим аэродинамическим качеством при легком ветре (какие-нибудь 5-6 м/сек).
И такой экзотический полет над водой уже не фантастика, а действительность, вполне достижимая для экраноплана с парусным вооружением. Парусное вооружение экраноплана - У-образное "качающееся" жесткое крыло площадью 6 м2 и размахом 8 м, установленное на топе короткой мачты. Для управления поворотом крыла служит кольцевой гик, а для перекладки (смены галса) - рукоятка с тягой.

Корпус экраноплана выполнен в виде крыла малого удлинения с двумя концевыми поплавками, на которых установлены шверты. Третий - центральный, поворотный шверт расположен на задней кромке крыла под вертикальным оперением с воздушным рулем поворота. (Для сухопутного или ледового экраноплана вместо поплавков и швертов устанавливаются колеса или коньки).
Разогнавшись, парусный экранолет сохраняет контакт с водой только концевыми участками трех швертов и совершает полет с использованием экранного эффекта. Кратковременный подлет экраноплана не предвещает аварийной ситуации, так как аппарат имеет аэродинамическую систему управления.

Одноместный экраноплан с V- образным " качающимся " жестким крылом

В этом случае экраноплан совершает планирующий полетнад экраном, но потеря контакта с водой приводит к исчезновению тяги паруса и экранплан, снижаясь, снова идет на контакт с водой швертами. Таким образом, яхтсмен периодически находится то в свободном планировании над поверхностью воды, то в режиме контакта с водой, возобновляющего тягу паруса.
Скорость движения парусного экраноплана 90-120 км/ч при скорости ветра всего 5-8 м/сек; другими словами, скорость движения в три-четыре раза выше скорости ветра, а не в два с половиной, как у "ЕПЭ". На шоссе парусный экраноплан - буер разгоняется до скорости 140-160 км/ч.
Рассмотренные выше паруса и крылатые парусники имеют небольшое, по авиационным понятиям, аэродинамическое качество - порядка 10-15 (ну, пусть 20 - с использованием экранного эффекта). А в активе-то у нас достижимое аэродинамическое качество паруса минимум 40-45! И такой оптимизм имеет практическое подтверждение: современные планеры-парители открытого класса обладают аэродинамическим качеством 63-65!
Жесткий аэродинамический парус типа планерного крыла часто используют на скоростных парусниках, но применяют только одну (левую или правую) консоль. С таким парусом можно ходить только одним галсом, потому что на них используют несимметричный профиль крыла для получения максимальной тяги. Для откренивания приходится применять противовесы - типа вынесенной на ветер кабины экипажа, требуется сложная система управления парусом-крылом.

Схема экраноплана

б - общий вид катамарана с " качающимся " планером - парусом. 1 - серийный двухместный планер, установленный на шарнире 12; 7 - " вертикальное " крыло планера, служащее вы­ сокоэффективным парусом - крылом; 8 -~ опор­ный поплавок с поворотным килем; 9 - " гори­ зонтальное " откренивающее и обеспечиваю­ щее аэродинамическую разгрузку крыло плане­ ра; 12 - шарнир; 13 - корпус катамарана; 14 - руль; 15 - V- образный управляемый шверт, в - устройство центрального узла - универсального

Рекордный парусник, если в роли его парусной системы использовать конструкцию стандартного планера, получается до примитивного простым, легким и прочным, с прекрасной устойчивостью и управляемостью парусной системы, с огромным аэродинамическим качеством.

Его,конечно, придется слегка доработать - добавить крыльевую опору, изменить угол поперечной У-образности крыла и установить универсальный шарнир для крепления планера на топе "мачты".
Легкий парусник, предназначенный для рекордных заездов, представляет собою катамаран с глиссирующими корпусами, на короткой мачте которого наунивер-сальном (карданном) шарнире установлен двух-местный планер-парус.При этом шарнир расположен в центре тяжести планера. В кабине размещен штурвал управления по курсу воздушным рулем. Система управления планером остается без изменений, но теперь она является системой управления вооружением.
При смене галса производят "перекладку" крыльев при помощи элеронов: крыло, которое служило парусом, становится горизонтальным - откренива-ющим (с опорным поплавком и управляемым килем(швертом) на конце), а которое было откренивающим - становится почти вертикальным и работает как высокоэффективный жесткий парус большого удлинения.
Разгон и движение парусника выполняют, установив паруса относительно ветра при помощи аэродинамических рулей планера (элеронов, рулей высоты и направления} и рулей направления яхты. Так как планер имеет необходимую устойчивость и совершенную систему управления, рассчитанную на высший пилотаж {а уж на свободный полет - тем более!), то никаких проблем в управлении парусником не возникает.
В случае взмывания (кратковременного взлета) планер может спокойно уйти от "чуждой" ему стихии, в отличие от классического гоночного парусника, когда отрыв от воды для него завершается аварией.
Сила тяги крыльев планера направлена вперед и вверх, что значительно уменьшает момент крена, а подъемная сила горизонтального крыла обеспечивает аэродинамическую разгрузку яхты. Аэродинамическая разгрузка может составлять до 80-100% веса. Парусник в этом режиме касается воды только швертами, а при запасе горизонтальной скорости даже может совершать планирующие полеты над водой; при этом оба крыла относительно поверхности воды устанавливаются симметрично, а поплавки (или буерное шасси) фиксируются по продольной оси планера.
Парусник для штурма мировых рекордов скорости, выполненный с использованием серийного двухместного планера 1--13 "В!атК" (с аэродинамическим качеством 28), имеет следующие технические данные. Максимальный вес с двумя яхтсменами на борту - 550 кг. Площадь вертикального крыла-паруса - 10м2 (общая площадь крыльев - 20 мг). Максимальное аэродинамическое качество в варианте яхта-катамаран - 10, в варианте буер -18.
Расчеты показывают, что максимальную скорость парусное судно развивает при ветре галфвинд, который дует под углом 90° относительно направления движения. Для идеального парусника (при отсутствии дрейфа, крена и гидродинамического сопротивления) скорость движения судна - V была бы равна скорости ветра V, умноженной на аэродинамическое качество паруса:
у=КУ.
Присмотритесь к этому выражению. Да это же формула определения горизонтальной скорости планера! И поистине - идеальная яхта это и есть планер. А планер является идеальным парусником. Его основная характеристика - аэродинамическое качество. Ведь у него отсутствуют дрейф, крен и гидродинамическое сопротивление. А летит он без снижения под действием восходящих потоков (вертикального ветра). Если восходящих потоков нет, у планера всегда есть для полета "искусственный ветер", причем, всегда дующий в галфвинд: это вертикальная скорость его снижения - Vв. В этом случае скорость горизонтального полета - Vг определяется так:
Vг=КVв.

1 - сила тяги, 2- полная аэродинамическая сила, 3- сила дрейфа

Как видим, оба выражения идентичны. Здесь К - то же самое аэродинамическое качество планера. Недаром на многих языках слова "планер" и "парусник" звучат одинаково.
А теперь идеальную яхту совместим с реальным парусником. Для этого планер надо установить на мачте так, чтобы его крылья (паруса) были в вертикальном положении. Тогда при ветре всего 2 м/с и отсутствии дрейфа (иначе исчезнет сила действия ветра) мы можем получить максимальную скорость движения нашей яхты при К = 50 равной:
2 м/с х 50 = 100 м/с или 360 км/ч
т.е. в 50 раз больше скорости ветра. Так летают планеры. Но нам-то надо часть энергии отдать на борьбу с дрейфом, еще какую-то часть - на преодоление крена и гидродинамического сопротивления. Реально у нас остается около 8 единиц: Кх - 8, где Кх - ходовое качество яхты. Поэтому максимальная и абсолютно реальная скорость движения яхты при ветре 5 м/с будет равна:
5 м/с х 8 = 40 м/с (144 км/ч), т.е. превышает скорость ветра в восемь раз (еще раз напомним: у "ЕПЭ" - в два с лишним раза). Как видим, парус играет роль аэродинамического "усилителя" действия ветра.
Теперь подведем предварительные итоги. Что мы имеем в активе? Мы можем установить два мировых рекорда и получить приз 3 млн. долларов с помощью рекордной яхты - планера-парусника.
Мировой рекорд скорости на буере (230.1 км/ч) можно повысить до 280 км/ч при скорости ветра 5 м/с; для этого требуется Кх -- ходовое качество буера, равное всего 16. Ну а существующий скоростной рекорд парусной яхты будет побит при том же ветре даже при Кх= 6, что обеспечит скорость хода 30 м/с, т.е. 108 км/ч. На сегодня рекорд скорости 86.16 км/ч, но при ветре 10 м/с!
Соревнования на установление мировых рекордов скорости под парусами проводятся в Уэймуте (Англия) ежегодно. Желающим следует спешить!
До сих пор речь шла о спортивных парусниках, которые демонстрируют границы возможных достижений - рекордные результаты. Для транспортных целей на морских грузовых и пассажирских линиях нужны экологически чистые скоростные суда с минимальным расходом топлива, простые и надежные в эксплуатации.
Разработанный в МАИ парусный экра-ноплан, рассчитанный на 40 пассажирских мест, может послужить примером такого экологичного и быстроходного морского экспресса. Скорость его при ветре 5-8 м/с будет около 90-110 км/ч. Максимальный вес крылатого парусника - 5800 кг, вес конструкции - 1800 кг.
Маршрут Нью-Йорк - мыс Лизард (Англия) на этом паруснике можно пройти всего за трое суток, тогда как тримарану-рекордсмену "Джет Сервисез-5" потребовалось вдвое больше. 

Экологически чистый транспорт.

Известно, что французская шоколадная фирма "Пуле" объявила о награде в 1 млн.долл. первому яхтсмену-одиночке, который под парусом обогнет земной шар за 100 дней, а нынешние обладатели Трофея Жюль Верна уже совершили кругосветное плавание - пересекли все меридианы и экватор - за 71 день. Но для парусного экраноп-лана предлагаемой конструкции 25 суток "кругосветки" (даже при плавании в одиночку) будут продолжительностью регулярного рейса, указанной в расписании. Ведь экраноплан-парусник предназначен не для рекордов, а для пассажирских рейсов. Например, для челночных рейсов по Черному морю. Сорок пассажиров из Одессы будут в Ялте через 5 часов, а в Стамбуле - через 8 и при этом команда израсходует максимум 10 кг дизтоплива на подходы к причалу в указанных портах.
Путешествовать "дешевле" и с меньшим влиянием на окружающую среду можно, пожалуй, только дрейфуя на льдине! Используя энергию воздушного океана, мы не загрязняем атмосферу окислами углерода, азота и углеводородами, и главное - не бросаем деньги на ветер, сжигая энергетические ресурсы. Одна заправка крупнотоннажного океанского судна стоит 1.5-5 млн.долл. Судно водоизмещением 20 тыс.т при скорости 16 узлов затрачивает 35-40 т топлива в сутки. А ведь указанные выше цифры можно уменьшить в 5-10 раз!

Разработано вспомогательное парусное вооружение, которое обеспечивает высокую тягу паруса и позволяет при ветрах 5-10 м/с сократить средний расход топлива во время движения грузового судна на 50-70 %, а при ветрах большей силы - вообще исключить потребность в работе силовой механической установки, не снижая скорости движения. Такое вооружение можно использовать, в первую очередь, на судах-навалочниках дедвейтом 10-25 тыс.т.
На рисунке изображено грузовое судно водоизмещением 37 000 т (дедвейт 23 000 т) с тремя жесткими поворотными парусами-крыльями планерного типа1. Каждое крыло имеет размах 60 м и хорду - 10 м. Общая площадь парусности около 1800 м2. Расчетная скорость судна при ветре 7 м/с - 16 узлов, при 12 м/с - 23 узла. Уменьшение необходимого запаса топлива (в 20 раз) увеличивает полезные объемы судна. Максимальную мощность судовых двигателей можно снизить в 10 раз, используя их только для подруливания и в аварийных ситуациях.
Парусное вооружение планерного типа в штормовую погоду или при ураганном ветре нет необходимости убирать; надо поставить стабилизаторы на нулевые углы и освободить фиксацию парусной установки, тогда она станет обычным флюгером, сопротивление которого меньше сопротивления корабельной мачты.
Парусное вооружение планерного типа позволяет снизить сопротивление воды движению судна, так как обеспечивает некоторую аэродинамическую разгрузку его благодаря появлению подъемной силы на парусах-крыльях. Такие паруса повышают остойчивость судна, поскольку сила тяги парусов проходит через его ЦТ, что исключает появление крена. А большая площадь самих парусов при качке демпфирует судно: при большом волнении паруса не способны мгновенно перемещать большие массы воздуха. Корабль как бы висит на парусах-крыльях, что обеспечивает до 5 % аэродинамической разгрузки судна.
Огромную экономическую эффективность парусов-крыльев планерного типа подтверждают и расчеты, выполненные в МАИ при разработке парусного сухогруза водоизмещением 170тыс.т для "пассатных" направлений перевозок. Крылатый сухогруз может иметь полностью автоматизированную систему даже дистанционного - с берега - управления парусом. С помощью спутниковой связи в центр поступают все данные о погоде и обстановке, ЭВМ оптимизируют курс и график движения судна и передают команды на бортовой пульт управления. Корабль-"скиталец" может ходить в автоматическом режиме - без экипажа. Ветер в соответствии с программой пригонит его в заданную точку земного шара для встречи с экипажем, который с вертолета или служебного судна высаживается на борт перед его заходом в порт или для прохождения сложного участка трассы.

Современные достижения науки и техники позволяют обеспечить полную безопасность такого варианта "Летучего голландца" для судоходства с использованием традиционных плавсредств.
Все рассмотренные в этой статье парусники защищены патентами на изобретения, Проекты судов с аэродинамическим парусным вооружением для скоростного экологически чистого морского транспорта экспонировались на XXV Международном Салоне изобретений в Женеве в 1997 г. и были удостоены диплома и бронзовой медали.

Паруса — это крылья, только гибкие, использующие ветер для создания силы, двигающей лодку в яхтинге. Понимание того, как это происходит, поможет получать от парусов максимальную производительность.
Полезно разобраться в том, что представляет собой типичный парус. Обычно он изготовлен из гибкого материала, чтобы позволить ему работать под действием ветра поочередно с обеих сторон - это дает возможность при яхтинге лавировать лодку. Гибкость материала типичного паруса является значительным конструктивным ограничением, не позволяющим существовать многим потенциальным формам паруса из-за неспособности под действием ветра поддерживать нужное состояние.

Это привело к традиционной треугольной форме типичного паруса, поскольку материал в нижней части как бы подвешен к верхней части, которая в конечном итоге уменьшается до точки на топе мачты. Таким образом, проблемой становится, как изготовить, а затем управлять в яхтинге гибким парусом под действием ветра таким образом, чтобы порождать устойчивую силу, способную перемещать лодку.

Работа современного паруса как крыла.

Поскольку ограничение, не позволяющее парусам как крыльям самолетов самим себя поддерживать, в значительной степени снято, например, за счет использования полно размерных лат или жестких материалов, то паруса развиваются в сторону достижения все большей эффективности. Это проявляется в том, что все больше паруса становятся похожими на крылья и все меньше — на треугольный парус. Анализ того, как парус работает в качестве крыла, будет полезным не только для современного паруса, похожего на крыло, но и для традиционного паруса, который выглядит, как обычный парус, но работает практически так же, как крыло.

Скорость движения потока на верхней поверхности крыла увеличивается как за счет угла восходящего потока, так и за счет большей кривизны верхней поверхности по сравнению с нижней. Когда движущаяся среда (воздух или вода) ускоряется, ее давление на прилегающую поверхность падает. Образовавшаяся разность давлений на верхней и нижней поверхностях крыла порождает направленную вверх подъемную силу.

Контур типичного паруса.

Если игнорировать толщину крыла, то оно может быть представлено тонкой кривой, представляющей его контур. Форма контура определяется количеством подъемной силы при заданном угле атаки. Поскольку типичный парус по определению не имеет толщины, он существует только как контур. Поток на выпуклой подветренной стороне паруса как и на крыле имеет меньшее давление за счет ускорения потока, в то время как поток на вогнутой наветренной стороне находится в зоне более высокого давления за счет замедления потока. Разница давлений на поверхностях паруса крыла удерживает гибкий парус в форме устойчивого изогнутого контура и порождает силу, движущую лодку.

Восходящий поток обычного паруса.

Обычный парус как крыло, осуществляющее подъем, заставляет набегающий воздушный поток отклоняться верх. Это происходит из-за более низкого давления на подветренной поверхности обычного паруса, затягивающего воздух в зону над крылом. Такой искривившийся воздушный поток носит название “восходящий поток”.

Влияние формы современного паруса как крыла в плане.

Форма современного паруса как крыла в плане определяется конфигурацией ведущего (переднего) и ведомого (заднего) краев. В дополнение к восходящему потоку, вызванному профилем паруса как крыла из-за более низкого давления на подветренной поверхности, также имеет место образование дополнительного восходящего потока, порожденного изменением формы паруса как крыла в плане. Это происходит вследствие более низкого давления в удаленных частях крыла, заставляющего воздух в прилегающих зонах отклоняться в направлении размаха крыла к его краю, вызывая изменение параметров восходящего потока по длине паруса.

Стреловидность современного паруса как крыла.

Стреловидность паруса крыла определяется как угол между перпендикуляром к потоку и линией (называемой четверть хордной — “quarter chorde”), проводимой на расстоянии 25% от ширины хорды (расстояния между передней и задней шкаторинами) в направлении размаха крыла. Положение на расстоянии 25% от ширины хорды выбрано по причине того, что точка приложения ветровой нагрузки в сечении обычно и располагается приблизительно на таком расстоянии. Это вызвано тем, что наибольшее количество подъемной силы паруса крыла порождается в его передней части, поэтому положение четверть хордной линии в достаточно объективной форме характеризует стреловидность крыла.

Стреловидность приводит к эффекту увеличения восходящего потока по мере перемещения от основания к концу паруса крыла. Поскольку крыло наклонено назад, то воздушный поток в удаленных сечениях испытывает дополнительное влияние от зон низкого давления в сечениях, расположенных ближе к основанию и смещенных вперед.

Нарастающее влияние дополнительного низкого давления заставляет набегающий поток все сильнее отклоняться вверх, постоянно усиливая тем самым восходящий поток по мере приближения к концу паруса крыла.

Клиновидность паруса крыла.

Клиновидность определяется как соотношение длин хорд на конце паруса крыла и у его основания. Для парусов, где крайнее сечение сводится к точке, клиновидность имеет предельное значение (ноль), что является следствием их треугольной формы. Поток, набегающий на удаленные части крыла, отклоняется зоной низкого давления над более широкими частями крыла, которые порождают значительную часть подъемной силы. По мере удаления от основания паруса влияние дополнительного низкого давления нарастает и заставляет набегающий поток все более отклоняться вверх. Таким образом, меньшие по размеру крайние сечения подвергаются воздействию более сильного восходящего потока. Это увеличивает количество подъемной силы, которую они производят, хотя не компенсирует уменьшения их площади.
На этом вступление в теорию паруса как крыла закончим. А в рассмотрим поведение воздушных потоков, с которыми взаимодействуют паруса.

И тему применения паруса на современных транспортных судах, и тему совершенствования вооружения в борьбе за скорость под парусами можно считать постоянными на страницах "КиЯ". Однако до сих пор речь шла об опыте зарубежном, наши конструкторы и ученые могли рассказать лишь о своих проектных предложениях и изобретениях.

На этот раз мы с удовольствием предоставляем слово петербуржцу Виталию Ивановичу Юшину и москвичу Баррикадо Георгиевичу Мордвинову для рассказа об успешном применении новаторского "живого" паруса на "живом" судне. И подчеркнем: это - перспективная самостоятельная разработка большого коллектива. выполненная на высоком уровне с учетом последних достижений техники. Статья представлена в начале 1992 г. Задержка с ее публикацией произошла по независящим от редакции обстоятельствам.

Одновременно пользуемся случаем поблагодарить редакцию журнала "Судостроение" за предоставленную возможность использовать материалы статьи тех же авторов "Научно-исследовательское судно с ветродвижителями "Академик Иоффе" (в №3 за 1990 г.).

В одном из ближайших номеров постараемся поместить статью украинских авторов (В. Микитюк и др.) об их опыте применения жестких парусов-крыльев. Два таких "прямых" трехсекционных паруса площадью по 15 м 2 конструкций ЛИСЭД НКИ (см. за 1985 г.) были установлены на научно-исследовательском судне "Дельта", переоборудованном из 25-метрового сейнера в г. Николаеве. Пока познакомиться с опытом николаевцев можно по публикации в журнале "Судостроение " №4 за 1992 г.

На одном из двух научно-исследовательских судов, построенных в 1988-1989 гг. финской фирмой "Холминг" для нашей Академии Наук, сделан интересный шаг вперед на пути использования вспомогательного парусного вооружения - установлены два управляемых дистанционно жестких паруса нового типа.

Считается, что изобрел подобный ВД в начале 70-х гг. Джон Уолкер, нынешний президент английской фирмы "Уолкер Вингсэйл Системс".

В нашей стране первые попытки проектирования жесткого щелевого паруса были предприняты еще в 1986 г. группой специалистов бывшего ЛЦПКБ (ныне ЦНИИ МФ): Б. Н. Захаровым, Г. М. Кудреватым и В. В. Шайдоровым. Однако воплощение идеи в законченном виде впервые можно было видеть только в конструкциях упомянутой английской фирмы. В за 1990 г. подробно рассказывалось об устройстве экспериментального крейсерского тримарана "Плейнсейл". Каждое из двух его жестких крыльев общей площадью 57 м; состоит из двух частей: неподвижной передней части и поворотной основной части (закрылка). Поворот закрылка делает общий профиль крыла несимметричным и открывает щель - проход для потока, поступающего с неподвижной части крыла на засасывающую поверхность закрылка, что и обеспечивает повышение тяги системы.

На первом этапе экспериментальной отработки ВД была испытана серия крыльев с обычной "авиационной’’ механизацией (система - предкрылок, основное крыло, несколько закрылков). Анализ полученных результатов свидетельствовал о достаточно высоких тяговых характеристиках ВД такого типа. В то же время стали очевидными и его недостатки, среди которых следует отметить сложность изготовления элементов системы, имеющих различную конфигурацию. В связи с этим заказчиком было высказано пожелание разработать конструкцию, состоящую из элементов одинаковой конфигурации, что позволило бы изготавливать их в одной матрице.

С целью отработки ВД с элементами одинаковой профилировки в той же аэродинамической трубе ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова была испытана серия моделей с различными вариантами базового профиля, удлинения крыла, взаимного расположения элементов и конфигурации концевых шайб.

В результате проведенных исследований с учетом всех требований компоновочного характера был выбран окончательный вариант ВД, представляющий ограниченное верхней и нижней шайбами крыло малого удлинения (l=1.25) с криволинейным профилем (f=0.32), составленным пятью одинаковыми крыльевыми элементами. Профилировка этих элементов и просвета между ними обеспечивает выдув потоков воздуха из наветренной области повышенного давления одного крыла по касательной к засасывающей поверхности другого.

Три крыльевых элемента (нечетные) сделаны неподвижными и одновременно обеспечивают жесткость всей конструкции ВД, имеющей высоту 10 м и ширину 8 м. Регулировка просветов от полного смыкания кромок до максимального раскрытия - производится благодаря тому, что два четных крыльевых элемента сделаны управляемыми: они вращаются относительно вертикальных осей, расположенных на расстоянии 26% хорды от носика профиля крыла. При резких порывах ветра поворотные элементы автоматически разворачиваются во флюгерное положение, что сразу же во много раз уменьшает ветровую нагрузку на ВД. Прочность конструкции рассчитана на скорость ветра 20 м/с, а нормальная работа ВД - на скорости 6-16 м/с.

Основные аэродинамические характеристики выбранного варианта ВД и его сравнение с парусом "японского" типа приведены на графиках, построенных по результатам экспериментов. Обращает внимание высокое значение коэффициента подъемной силы в области критического угла атаки и наличие такой области углов атаки (35-55°), в которой эти значения практически постоянны. Постоянство С у max в широком диапазоне а, в отличие от обычных парусов, где наблюдается резкое падение подъемной силы при достижении критического угла атаки, позволяет эксплуатировать ВД в реальных условиях, когда ветер нестационарен по направлению, при углах атаки, обеспечивающих максимальную тягу.

Профиль всех крыльевых элементов - несимметричный. Естественно, что при обтекании со стороны задней острой кромки профиля эффективность его существенно уменьшается. Это значит, что при смене галса ВД будет работать плохо Было предложено несколько схем переворота ВД относительно горизонтальной оси, однако их реализация представляла такую сложность, что было принято альтернативное решение, заключающееся в установке двух одинаковых ВД площадью по 80 м 2 , один из которых при любом галсе работает в благоприятном. а другой - в неблагоприятном режиме.

На НИС "Академик Иоффе" эти ВД по конструктивным соображениям могли быть установлены только побортно в непосредственной близости друг от друга, что потребовало принятия специальных мер по уменьшению неблагоприятного аэродинамического взаимодействия ВД. Первые же продувки показали, что тяга такой компоновки из двух ВД ниже, чем сумма тяги двух ВД, работающих изолированно. В дальнейшем выяснилось, что для уменьшения взаимовлияния ВД надо накренить подветренный ВД. чтобы вывести его из аэродинамической тени наветренного.

Следует добавить, что полученные в процессе отработки ЩВД профили обладают уникальными свойствами и могут быть использованы при решении многих прикладных задач аэрогидродинамики. Например, в качестве ветроотбойников. обтекателей конструкций, носовых крыльев самолетов типа "утка", элементов ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, волнодвижителей и т.д.

Примечания

1. Следует заметить, что существует и другое направление, когда речь идет об установке системы из нескольких отдельных жестких профилированных парусов-крыльев без использования эффекта их взаимодействия.

2. Винторуленая поворотная колонка с самостоятельным приводом (на НИС "Академик Иоффе" - электродвигатель 600 кВт) для улучшения управляемости на малом ходу.

3. Как отмечено в обзоре А. Хаустова "Экология и судостроение" (см. "Судостроение" №10, 1992), развитие проверенной на НИС "Академик Иоффе" концепции уже позволяет создавать жесткие многокрыльевые паруса со вдвое более высокими тяговыми характеристиками. Выполнена, в частности, перспективная проработка - механизированное парусное вооружение катамарана "Пассат": на каждой из трех его мачт предусмотрена установка шести (по высоте) парных секций таких парусов.

Парус-крыло! Тема, конечно, акуенно оригинальная. Но как бы где-то в "бэкграунде" чувствуются некий комплекс неполноценности "рождённого ползать", но страстно желающего летать. Чел с таким комплексом как бы повышает статус паруса, этакого убогого невзрачного и примитивного устройства, до сверкающих небесных высей чуда эволюции - крыла.
Чтобы не было мешанины из мух и котлет, прежде чем начинать подобные темы, хорошо бы определиться, для себя, ап чом реь пойдёт? Чем крыло отличается от паруса? По-моему, тем, что крылья придуманы для свободного полёта в воздухе, а паруса - для движения по границе между воздухом и водой. И тогда совершенно не понятно, нахрена одно называть другим, или смешивать эти два разных термина в одну кучу. Парус, как идея, ничем не хуже и не лучше крыла, как идеи, он просто предназначен для выполнения соверженно иной, чем крыло, функции. То есть, как идея, парус совершенно не нуждается в каких-то "качественных" улучшениях и подтягиваниях до чего-то более совершенного, поскольку ничего более совершенного для выполнения той функции, для которой он предназначен, просто нету. Ну глупо же пытаться двигаться вверх, когда нам нужно двигаться вперёд, это разные направления движения.
Второй побудительной причиной игры в слова, помимо комплекса несостоявшегося пелота, обычно является техническая безграмотность: мол, парус - это такая тряпочка, привязанная к палке верёфками, а крыло - это такое длинное, толстое и гладкое, как... у самолёта с боков, кароче. Если слегка поинтересоваться вопросом, то становится ясно, что причина эта совершенно безосновательна: крылья первых самолётов (да и последних) были не толще "тряпки на палке с верёфками". То есть объёмность "несущей поверхности" (под это определение одинаково хорошо подходят и крыло и парус) не является принципиальной для выполнения несущей поверхностью своей функции: создавать большую поперечную (к направлению скорости обтекающего её потока) силу при малости силы продольной. Объёмные паруса создавались неоднократно, в том числе и для виндсерфинга, но каких-либо убедительных преимуществ именно объёмности так и не показали, а потому быстро забывались. Ну вот, очередное "изобретение велосипеда". Пачед? Уважуха? Да за что? Скорее всего мужик просто верит в один из мифов из "современной теории крыла", и с упорством, достойным лучшего применения тратит своё время и деньги на его доказательство, понятно - безуспешное. Если бы его средства к существованию зависели только от дохода с продажи его "чудо-парусов", то его упорство быстро сошло бы на нет, а так-то, в качестве хобби - почему бы и нет, без чудаков жить было бы скучно.

Мы уже привыкли к тому, что парус рассчитывается как самолетное крыло, а при проектировании яхт используются методы, принятые в авиастроении. Это, однако, не мешает конструкторам, отдавая дань традициям, строить суда, принципиально мало отличающиеся от тех, что строились пятьдесят лет назад. Вероятно, совершенствование чисто гоночных яхт будет и в дальнейшем осуществляться путем незначительных изменений их конструкций и обводов. Можно ли считать, что парусники для туризма и отдыха, которые день ото дня приобретают все большую популярность, также сохранят классические яхтенные формы? Ведь если для спортсменов комфорт и даже риск опрокинуться не имеют существенного значения, то, скажем, для семейной прогулки под парусом уровень удобств на судне и безопасность плавания - далеко не безразличные вещи.

Джон Уокер - молодой английский ученый - поставил перед собой задачу решить эту проблему кардинально. Не обременяя себя заботами о традициях, он спроектировал и построил парусное судно, которое, по его мнению, наилучшим образом приспособлено для прогулочных плаваний. Конструкция «Плейнсейла» («Планирующего паруса») практически полностью рассчитана по методам авиастроения. От нормальной яхты, как сообщают осведомленные лица, в нем остались разве только якорь и якорный канат.

Основой судна (или «аппарата», как его называет сам конструктор) является тримаран, по обводам, однако, имеющий мало общего с известными судами этого типа. Средний корпус «Плейнсейла» больше всего напоминает глиссирующий катер с острыми скулами и плоским широким днищем. Как и на катере, места рулевого и пассажира расположены сразу за запалубленной носовой частью и ограждены спереди панорамным ветровым стеклом.

Длинные узкие поплавки «Плейнсейла» имеют несимметричную форму - они представляют собой как бы две части одного корпуса, разрезанного по диаметрали. Наружный выпуклый борт продолжается на полную высоту только на одной трети длины поплавков от носа; дальше он срезан до ватерлинии, и палуба идет наклонно, соединяя верхнюю кромку плоского внутреннего борта со скулой наружного.

Цель, которую преследовал Уокер, проектируя такую конструкцию, - получить минимальный вес и достаточную плавучесть - можно считать достигнутой. При длине 9,1 м «Плейнсейл» весит не более 600 кг. Еще около 200 кг приходится на систему аэро- и гидродинамических крыльев, которая и является главной и наиболее интересной частью конструкции судна.

Парусное вооружение «Плейнсейла» по принципу действия да и по внешнему виду почти точно копирует самолетную схему (чтобы нагляднее убедиться в этом, посмотрите фотоснимки самолетов времен первой мировой войны). Четыре жестких крыла общей площадью 26 м 2 с каркасом из алюминиевых трубок и обшивкой из стеклопластика при обтекании их воздушным потоком создают мощную подъемную силу. Если бы они были расположены горизонтально, то уже при ветре силой 8 баллов (18 м/сек) «Плейнсейл» мог бы взлететь в воздух (подъемная сила превысила бы вес судна).

Суммарная площадь крыльев составляет S=26 м 2 . Если поделить ее на водоизмещение D судна - найти характерное отношение:

по которому сравнивают энерговооруженность парусных судов, то получится, что ближе всего по этому показателю «Плейнсейл» стоит к наиболее быстроходным катамаранам и гоночным швертботам.

Известно, что быстроходные парусные суда ходят обычно под острыми углами к направлению ветра (направление вымпельного ветра W заметно смещается за счет встречного потока воздуха, возникающего в результате движения самого судна). В таких случаях выгодно иметь высокие узкие паруса, создающие большую подъемную силу при минимальном сопротивлении. Однако чем выше парус, тем больший крен вызывает действие приложенной к нему силы ветра. А это не только снижает эффективность парусного вооружения, но и ухудшает мореходность судна, Применив систему из четырех крыльев, Уокер получил возможность, не ухудшая аэродинамических качеств вооружения, значительно снизить центр парусности, и, следовательно, уменьшить действие ветра на крен судна.

Действительно, отношение сторон каждого крыла на «Плейнсейле» (их относительное удлинение) составляет около λ=6,5:1=6,5 (для сравнения, у катамаранов λ=3,6÷6). При таком же удлинении высота одного паруса площадью 26 м 2 составила бы 13 м. Некоторое снижение аэродинамического качества при замене одного крыла несколькими для скоростей, на которые может рассчитываться парусное судно, не имеет существенного значения.

Система параллельных крыльев («этажерка», как ее называют в авиации) на «Плейнсейле» дополняется пятым, играющим примерно ту же роль, что и рули высоты на самолете. С его помощью водитель имеет возможность, прикладывая минимум усилий, поворачивать «этажерку». Посмотрим, как это делается. Пятое крыло - триммер - соединено гибким тросом с рукояткой в кабине водителя (на фото Уокер держит ее правой рукой). В нормальном положении оно располагается параллельно направлению вымпельного ветра (под нулевым углом атаки). Допустим, есть необходимость развернуть всю крыльевую систему так, чтобы увеличить угол установки тянущих крыльев относительно ветра. Движением рукоятки отклоняем триммер так, что он будет иметь угол α относительно направления ветра. Тогда подъемная сила Y, приложенная к триммеру, благодаря большому плечу (расстояние между точкой приложения силы Y и осью вращения О), легко повернет всю систему на требующийся угол.

Если развернуть тянущие крылья параллельно направлению ветра (в левентик), судно ляжет в дрейф. При дальнейшей перекладке подъемная сила на крыльях изменит направление, и тримаран получит задний ход (чего нельзя добиться ни на каком другом парусном судне).

На принципе работы крыла действует и система управления судном. Штурвал, который держит Уокер, соединен жесткой тягой со стойками подводных крыльев, подвешенными на шарнирах в средней части поплавков. Угол атаки крыльев, нулевой в нормальном положении, поворотом штурвала изменяется так, что на одном поплавке он получает отрицательную величину (подъемная сила направлена вниз, крыло как бы загребает воду), а на другом положительную (подъемная сила, направленная вверх, частично выжимает поплавок из воды, уменьшая его сопротивление). Судно в результате получает небольшой крен и разворачивается в сторону притопленного поплавка. Такая система также была заимствована Уокером из авиации - известно, что самолет делает поворот в горизонтальной плоскости в большей мере за счет перекладки элеронов, чем с помощью отклонения вертикального руля поворота.

Нетрудно представить и другое назначение подводных крыльев на «Плейнсейле». Если есть возможность закренивать судно, то, действуя обратным порядком, можно и открепить его.

Например, судно идет правым галсом. Правый - наветренный поплавок при этом стремится выйти из воды, а левый - подветренный притапливается. Перекладываем штурвал так, чтобы за счет подъемной силы крыльев восстановить нарушенное равновесие, то есть удержать в воде правый и заставить привсплыть левый поплавки.

В связи с тем, что в поперечном направлении под днищем поплавков крылья установлены с наклоном 45°, подъемная сила на них направлена не вертикально, а под соответствующим углом. Горизонтальная составляющая этой силы направлена в сторону, противоположную дрейфу и, таким образом, уменьшает его величину, Этому способствуют также стойки крыльев, выполненные в виде пластин большой площади.

В корме на поплавках подвешены рули, служащие дополнительным средством управления судном. На конце каждого пера, представляющего собой длинную узкую пластину, имеется по небольшому горизонтальному крылу, которое играет роль концевой шайбы, увеличивающей эффективность работы рулей, а также, благодаря некоторому заданному углу атаки, воспринимает на прямом курсе часть нагрузки корпуса. Перекладка рулей осуществляется с помощью педали, установленной в кабине водителя.

Как видим, несмотря на необычность всей системы управления, пользоваться ею чрезвычайно просто. Можно согласиться с Уокером, что управлять «Плейнсейлом» даже человек, в жизни не ходивший под парусом, научится менее, чем за час. По крайней мере для этого не потребуется больше времени, чем нужно для того, чтобы освоиться с вождением катера. Кстати, система управления «Плейнсейла» (рычаг переключения «скоростей», соединенный тросом с триммером, и штурвал) по оформлению мало отличается от применяющейся на катерах и автомобилях, что несомненно еще более упрощает обучение.

Обозреватель английского журнала «Yachts and Yachting» Джек Найт, ознакомившись с конструкцией «Плейнсейла» в день его спуска на воду (16 мая 1968 г.), выразил свое мнение словами: «Возможно, перед нами яхта, которая в 1984 г. будет строиться огромными сериями». Трудно сказать, почему Найту понравился именно 1984 год. Одно несомненно - «странные» паруса, спроектированные Джоном Уокером, не останутся незамеченными яхтсменами и конструкторами, которые задумываются о будущем парусного спорта.