Управляемость.

Управляемостью называется качество судна, позволяющее ему следовать по заданному курсу или изменять направление движения. Управляемой может считаться только та яхта, которая реагирует нужным образом на перекладку руля.

Управляемость объединяет два свойства судна - устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - это способность яхты удерживать заданное прямолинейное направление движения при действии на нее различных внешних сил: ветра, волнения и т. п. Устойчивость на курсе зависит не только от конструктивных особенностей яхты и характера действия внешних сил, но и от реакции рулевого на отклонение судна от курса, его чутья руля.

Обратимся вновь к схеме действия внешних сил на паруса и корпус яхты (см. рис. 4). Решающее значение для устойчивости яхты на курсе имеет взаимное расположение двух пар сил. Кренящая сила Fд и сила сопротивления дрейфу Rд стремятся увалить нос яхты под ветер, в то время как вторая пара - сила тяги Т и сопротивление движению R приводит яхту к ветру. Очевидно, что реакция яхты зависит от соотношения величины рассматриваемых сил и плеч а и b, на которых они действуют. При увеличении угла крена плечо приводящей пары b также увеличивается. Плечо уваливающей пары, а зависит от взаимного расположения центра парусности (ЦП) - точки приложения результирующей аэродинамических сил к парусам и центра бокового сопротивления (ЦБС) - точки приложения результирующей гидродинамических сил к корпусу яхты. Положение этих точек изменяется в зависимости от многих факторов: курса яхты относительно ветра, формы и настройки парусов, крена и дифферента яхты, формы и профиля киля и руля и т. п.

Поэтому при проектировании и перевооружении яхт оперируют с условными ЦП и ЦБС, считая их расположенными в центрах тяжести плоских фигур, которыми являются паруса, поставленные в диаметральной плоскости яхты, и подводные очертания ДП с килем, плавниками и рулем (рис. 12).

Известно, что центр тяжести треугольного паруса располагается на пересечении двух медиан, а общий центр тяжести двух парусов находится на отрезке прямой, соединяющей ЦП обоих парусов, и делит этот отрезок обратно пропорционально их площади. Обычно, в расчет принимается не фактическая площадь стакселя, а обмерная площадь переднего парусного треугольника.

Положение ЦБС можно определить, уравновешивая на острие иголки профиль подводной части ДП, вырезанный из тонкого картона. Когда шаблон располагается строго горизонтально, игла находится в условной точке ЦБС. Напомним, что в создании силы сопротивления дрейфу главная роль принадлежит плавниковому килю и рулю. Центры гидродинамических давлений на их профилях могут быть найдены достаточно точно, например, для профилей с относительной толщиной t/b около 8% эта точка находится на расстоянии около 26% хорды от входящей кромки. Однако корпус яхты, хотя и участвует в создании поперечной силы в малой степени, вносит определенные изменения в характер обтекания киля и руля, причем он изменяется в зависимости от угла крена и дифферента, а также скорости яхты. В большинстве случаев на курсе бейдевинд истинный ЦБС перемещается вперед.

Конструкторы, как правило, располагают ЦП на некотором расстоянии (опережении) впереди ЦБС. Обычно опережение задается в процентах длины судна по ватерлинии и составляет для бермудского шлюпа 15-18% Lквл.

Если истинный ЦП оказывается расположенным слишком далеко впереди ЦБС, яхта на курсе бейдевинд уваливается под ветер и рулевому приходится постоянно держать руль отклоненным на ветер. Если же ЦП оказывается позади ЦБС, то яхта стремится привестись к ветру; требуется постоянная работа рулем, чтобы сдерживать судно.

Особенно неприятна тенденция яхты к уваливанию. В случае аварии с рулем яхту не удается с помощью одних парусов привести на курс бейдевинд, кроме того, она обладает повышенным дрейфом. Дело в том, что киль яхты отклоняет стекающий с него поток воды ближе к ДП судна. Поэтому если руль стоит прямо, он работает с заметно меньшим углом атаки, чем киль. Если отклонить руль в наветренную сторону, то образуемая на нем подъемная сила оказывается направленной в подветренную сторону - туда же, что и сила дрейфа на парусах. В данном случае киль и руль "тянут" в разные стороны и яхта неустойчива на курсе.

Иное дело легкая тенденция яхты приводиться. Переложенный на небольшой угол (3-4°) под ветер руль работает с таким же или несколько большим углом атаки, что и киль, и эффективно участвует в сопротивлении дрейфу. Поперечная сила, возникающая на руле, вызывает значительное смещение общего ЦБС к корме, одновременно уменьшается угол дрейфа, яхта устойчиво лежит на курсе.

Однако если на курсе бейдевинд руль приходится постоянно перекладывать под ветер на большую величину, чем 3-4°, следует подумать о корректировке относительного положения ЦБС и ЦП. На уже построенной яхте это проще делать, перемещая вперед ЦП, - устанавливая мачту в степсе в крайнее носовое положение или наклоняя ее вперед. Причиной приведения яхты может быть также грот - слишком "пузатый" или с перебранной задней шкаториной. В этом случае полезен промежуточный штаг, с помощью которого можно придать мачте в средней части (по высоте) прогиб вперед и тем самым сделать парус более плоским, а также ослабить заднюю шкаторину. Можно также укоротить длину нижней шкаторины грота.

Сложнее сместить в корму ЦБС, для чего нужно установить кормовой плавничок перед рулем или увеличить площадь пера руля.

Мы уже говорили, что при увеличении крена увеличивается, и тенденция яхты приводиться. Это происходит не только вследствие увеличения плеча приводящей пары сил - Т и R. При крене гидродинамическое давление в районе носовой волны повышается, что приводит к смещению ЦБС вперед. Поэтому в свежий ветер для уменьшения тенденции яхты приводиться следует переместить вперед и ЦП: взять риф на гроте или немного перетравить его для данного курса. Полезно также сменить стаксель на меньший по площади, благодаря чему уменьшается крен и дифферент яхты на нос.

Опытный конструктор при выборе величины опережения а обычно учитывает остойчивость яхты, чтобы компенсировать рост приводящего момента при крене: для яхты с меньшей остойчивостью задается большая величина опережения, для более остойчивых судов опережение принимается минимальным.

Хорошо уцентрованные яхты часто обладают повышенной рыскливостью на курсе бакштаг, когда потравленный на борт грот стремится развернуть яхту носом к ветру. Этому помогает и высокая волна, набегающая с кормы под углом к ДП. Чтобы одерживать яхту на курсе, приходится сильно работать рулем, отклоняя его на критический угол, когда возможен срыв потока с его подветренной поверхности (обычно это случается при углах атаки a 15-20°). Это явление сопровождается потерей подъемной силы на руле и, следовательно, управляемости яхты. Яхта внезапно может резко броситься к ветру и получить большой крен, при этом из-за уменьшения углубления пера руля на сторону разрежения может прорваться воздух с поверхности воды.

Борьба с этим явлением, получившим название брочинг, заставляет увеличивать площадь пера руля и его удлинение, устанавливать перед рулем плавник, площадь которого составляет около четверти площади пера. Благодаря наличию плавника перед рулем организуется направленный поток воды, увеличиваются критические углы атаки руля, предотвращается прорыв воздуха к нему и уменьшается усилие на румпеле. При плавании в бакштаг экипаж должен стремиться к том чтобы тяга спинакера была направлена по возможности вперед, а не вбок чтобы избежать излишнего крена. Важно также препятствовать появлению дифферента на нос, при котором может уменьшиться углубление руля. Брочингу способствует также бортовая качка яхты, появляющаяся вследствие срывов потока воздуха со спинакера.

Устойчивость на курсе помимо рассмотренного влияния внешних сил и взаимного расположения их точек приложения определяется конфигурацией подводной части ДП. Ранее для дальних плаваний по открытой воде отдавали предпочтение яхтам с длинной килевой линией, как обладающим большим сопротивлением повороту и соответственно - устойчивостью на курсе. Однако этому типу судов свойственны существенные недостатка например большая смоченная поверхность и плохая поворотливость. К тому же выяснилось, что устойчивость на курсе зависит не столько от величины боковой проекции ДП, сколько от положения руля относительно ЦБС, т. е. от "рычага", на котором действует руль. Отмечено, что если это расстояние оказывается менее 25% Lквл, то яхта становится рыскливой и плохо реагирует на отклонение руля. При l = 40-45% Lквл (см. рис. 12) удержание судна на заданном курсе не составляет труда.

Поворотливость - способность судна изменять направление движения описывать траекторию под действием руля и парусов. Действие руля основано на том же принципе гидродинамического крыла, что рассматривался и для яхтенного киля. При перекладке руля на некоторый угол возникает гидродинамическая сила R, одна из составляющих которой N толкает корму яхты в сторону, противоположную той, в которую положен руль (рис. 13). Под ее действием судно начинает двигаться по кривой траектории. Одновременно сила R дает составляющую Q - силу сопротивления, тормозящую ход яхты.

Если закрепить руль в одном положении, то судно пойдет примерно по окружности, называемой циркуляцией. Диаметр или радиус циркуляции является мерой поворотливости судна: чем больше радиус циркуляции, тем хуже поворотливость. По циркуляции движется только центр тяжести яхты, корму выносит наружу. Одновременно судно получает дрейф, вызванный центробежной силой и отчасти силой N на пере руля.

Радиус циркуляции зависит от скорости и массы яхты, ее момента инерции относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ, от эффективности руля - величины силы N и ее плеча относительно ЦТ при данном отклонении руля. Чем больше скорость и водоизмещение яхты, чем больше тяжелых масс (двигатель, якоря, детали оборудования) размещено в оконечностях судна, тем больше радиус циркуляции. Обычно радиус циркуляции, определенный на ходовых испытаниях яхты, выражают в длинах корпуса.

Поворотливость тем лучше, чем короче подводная часть судна и чем ближе к миделю сконцентрирована ее основная площадь. Плохой поворотливостью обладают, например, суда с длинной килевой линией (типа военно-морских шлюпок) и, наоборот, хорошей - швертботы с узкими глубокими швертами.

Эффективность руля зависит от площади и формы пера, профиля поперечного сечения, аэродинамического удлинения, типа установки (на ахтерштевне, отдельно от киля или на плавнике), а также расстояния баллера от ЦБС. Наибольшее распространение получили рули, спроектированные в виде крыла с аэродинамическим профилем поперечного сечения. Максимальной толщина профиля принимается обычно в пределах 10-12% хорды и располагается на 1/3 хорды от передней кромки. Площадь руля составляет обычно 9,5-11% площади погруженной части ДП яхты.

Руль с большим удлинением (отношение квадрата глубины погружения руля к его площади) развивает большую поперечную силу на малых углах атаки, благодаря чему он эффективно участвует в обеспечении боковой силы сопротивления дрейфу. Однако, как было показано на рис. 11, на определенных углах атаки профилей различного удлинения происходит отрыв потока от поверхности разрежения, после чего подъемная сила на профиле существенно падает. Например, при = 6 критический угол перекладки руля составляет 15°; при = 2 - 30°. В качестве компромисса применяют рули с удлинением = 4-5 (соотношение сторон прямоугольного руля 2-2,5), а для повышения критического угла перекладки устанавливают перед рулем плавник-скег. Руль с большим удлинением быстрее реагирует на перекладку, так как циркуляция потока, обусловливающая подъемную силу, быстрее развивается вокруг профиля с малой хордой, чем вокруг всей подводной части корпуса с навесным на ахтерштевне рулем.

Верхняя кромка руля должна плотно прилегать к корпусу в пределах рабочих отклонений ±30°, чтобы препятствовать перетеканию воды через нее; в противном случае эффективность работы руля ухудшается. Иногда на пере руля, если он навешен на транце, закрепляют аэродинамическую шайбу в виде широкой пластины близ ватерлинии.

Сказанное о форме килей применимо и к рулям: оптимальной считается трапециевидная форма с прямоугольной либо слегка скругленной нижней кромкой. Для уменьшения усилий на румпеле руль иногда делают балансирного типа - с осью вращения, расположенной на 1/4-1/5 хорды от "носика" профиля.

При управлении яхтой необходимо учитывать специфику работы руля в различных условиях, и, прежде всего срыв потока с его спинки. Нельзя делать резких перекладок руля на борт в начале поворота - произойдет срыв потока, поперечная сила N на руле упадет, зато быстро увеличится сила сопротивления R. Яхта будет входить в циркуляцию медленно и с большой потерей скорости. Начинать поворот необходимо, переложив руль на небольшой угол, но как только корма покатится наружу, и угол атаки руля начнет уменьшаться, его следует переложить на больший угол относительно ДП яхты.

Следует помнить, что поперечная, сила на руле быстро возрастает с увеличением скорости яхты. В слабый ветер бесполезно пытаться повернуть яхту быстро, перекладывая руль на большой угол (кстати, величина критического угла зависит от скорости: на меньшей скорости отрыв потока происходит при меньших углах атаки).

Сопротивление руля при изменении курса яхты в зависимости от его формы, конструкции и расположения составляет от 10 до 40% общего сопротивления яхты. Поэтому к технике управления рулем (и к центровке яхты, от которой зависит устойчивость на курсе) надо относиться весьма серьезно, не допускать отклонения руля на больший угол, чем это необходимо.