Скорость превыше всего. Моторная или парусная яхта
По правилам, определенным Советом по мировым рекордам среди парусных судов (World Sailing Speed Record Council, WSSRC), существует целый ряд «зачетов», и в каждом из них — свои рекордсмены, свои дистанции и хронологические рамки. Три наиболее престижных рекорда — это средняя скорость прохождения 500-метрового участка, средняя скорость прохождения морской мили и средняя скорость движения при 24-часовом переходе. Последняя номинация отличается от двух первых, как бег стайера от бега спринтера. Лодки для длинных переходов снабжены каютами, хранилищами для запасов и традиционной системой такелажа.
Конечно, рекорд скорости для парусного судна зависит от множества факторов — как подвластных человеческому воздействию, так и случайных. Найти правильный «ветреный баланс» — чтобы ветер был максимально силен, но при этом не поднимал «непроходимые» волны — достаточно трудно. Подходящих для этих целей бухт на всей планете раз, два и обчелся. Пол Ларсен, создатель и пилот Vestas Sailrocket 2, устанавливал свои рекорды близ порта Уолфиш-Бей в Намибии. Но его истории предшествовала другая, не менее занимательная.
Основная задача, стоявшая перед конструкторами Vestas Sailrocket 2, заключалась в разработке идеального аэродинамического профиля. Для старта лодке нужен ветер, дующий под углом 90° к линии движения. При движении срывающиеся с корпуса лодки потоки ветра направляются на парус, складываясь с «естественным» ветром и дополнительно ускоряя Vestas Sailrocket 2. То есть чем быстрее она движется, тем больше энергии получает.
Приключения француза
Шесть лет назад, в октябре 2007 года, «Популярная механика» писала о футуристическом тримаране l’Hydropt?re, построенном французом Аленом Тэбо. В то время «Гидроптер» только-только появился в поле зрения журналистов и вызывал скорее скепсис, нежели восхищение. Но прошли годы, и Тэбо установил на своем «гадком утенке» пять мировых рекордов (четыре на морской миле и один на 500-метровке), которые казались непокоримыми, пока не появился Ларсен со своим Vestas Sailrocket 2.
L" Hydropt? re — это парусный тримаран на подводных крыльях. Крылья длиной 6,4 м закреплены под углом 45° к корпусу и создают весьма значительную подъемную силу: при достаточно скромном ветре (около 6,5 м/с) тримаран уже отрывается от поверхности воды. Если судно налетает на серьезную волну, срабатывают газовые амортизаторы, «попускающие» крыло, способное сдвигаться на расстояние до 60 см, принимая энергию удара.
Морская миля — это весьма приличное расстояние, 1852 м, требующее от рекордного транспортного средства достаточной стабильности. Коротенькая же 500-метровка открывает широчайшее поле для… кайтсерфинга. С момента, когда Международная федерация парусного спорта официально включила кайтсерфинг в парусные дисциплины, приручившие воздушных змеев спортсмены поставили шесть (!) рекордов скорости на малой дистанции. Тем не менее и l‘ Hydroptere, и Vestas Sailrocket 2 в разное время становились обладателями рекорда в данной категории.
Первый рекорд Тэбо поставил еще в апреле 2007 года — он прошел морскую милю на средней скорости 41,69 узла (77,21 км/ч). Интересно, что четыре предыдущих рекорда в этом зачете были установлены не на яхтах, а на парусных виндсерфинговых досках (особенно отметился знаменитый датский виндсерфер Бьорн Дункербек, установивший три мировых рекорда на морской миле). Впоследствии Тэбо трижды улучшал свой показатель и довел его к осени 2009 года до 50,17 узла (92,91 км/ч), таким образом первым превысив полусотенный рубеж на данной дистанции.
Все яйца в одной корзине
Основная задача, которую ставил перед собой австралиец Пол Ларсен, заключалась в том, чтобы стать мировым рекордсменом в обеих дисциплинах. Финансирование под подобный проект при должном качестве идеи найти не так и трудно — в случае Ларсена спонсором стала датская компания Vestas, крупнейший в мире производитель ветрогенераторов. Ларсен с командой инженеров принялись за работу — и к 2008 году (обратите внимание, на тот момент Тэбо тоже еще был в стадии «становления», то есть французский и австралийский проекты развивались параллельно) катамаран Vestas Sailrocket был закончен. 3 декабря 2008 года близ намибийского Уолфиш-Бея Ларсен пошел на первый рекордный заплыв и имел шансы на успех. Увы, подъемная сила превысила расчетную, парусник взлетел, перекувыркнулся в воздухе и рухнул. Ларсену повезло — он не получил ни царапины.
Рекорд-недолгожитель
Интересная история произошла в 2010 году в намибийском порту Людериц, где команда кайтсёрферов ставила мировой рекорд по средней скорости на 500-метровке. Француз Себастьен Кателлан только-только вступил в звание мирового рекордсмена, показав результат 55,49 узлов (102,76 км/ч) и став первым в мире человеком, «выплывшем» на парусе из 55 узлов. Спустя 14 минут его коллега американец Роберт Дуглас пролетел милю со средней скоростью 55,65 узлов (103,06 км/ч), побив рекорд. Таким образом, Кателлан был «на вершине мира» в течение менее чем четверти часа. К чести Кателлана надо отметить, что он уже во второй раз становился мировым рекордсменом.
Доработка катамарана заняла долгих четыре года. Законы строительства рекордных парусников определены довольно четко: над водой — обтекаемый кокпит и жесткий парус, под водой — крылья. Поэтому основное отличие второго поколения ларсеновского «болида» как от своего предшественника, так и от конкурентов типа «Гидроптера» — это иная конфигурация подводных крыльев. Новый Vestas Sailrocket 2 получился очень легким (275 кг) и довольно длинным (12,2 м), и на этот раз никаких ошибок не обнаружилось.
В итоге 16 ноября 2012 года Пол Ларсен побил рекорд Тэбо на морской миле, показав результат 55,32 узла (102,44 км/ч), а двумя днями позже превзошел 500-метровый результат кайтсерфера Роберта Дугласа, промчавшись дистанцию со скоростью 59,38 узла (109,97 км/ч).
Французский l‘Hydroptere гораздо массивнее своего конкурента Vestas Sailrocket 2 (по длине — 18 м против 12,2; по суммарной площади паруса — 560 м 2 против всего-то 22), да и команды может вместить от 5 до 11 человек (против максимум двоих).
На достигнутом Ларсен не остановился — 18 ноября он улучшил мильный рекорд, подняв планку до 59,37 узла (109,94 км/ч), а 24 ноября окончательно оторвался от преследователей на 500-метровке — 65,45 узла (121,06 км/ч). Таким образом, в обеих номинациях Ларсен «привез» ближайшим преследователям по 10 узлов. С учетом того, что подобные рекорды бьются обычно на 1−2 узла максимум, достижения австралийца поражают воображение.
Прошлое и будущее
С 1972 года рекорд скорости на 500-метровке ставился 24 раза, причем первые семь раз его устанавливал один и тот же человек — британец Тим Коулмэн, сначала на катамаране Crossbow, затем на Crossbow II. Помимо двух лодок Коулмэна, всего три полноценных судна становились обладателями рекорда: это описанные выше Hydropt? re и Vestas Sailrocket 2, а также Yellow Pages Endeavour, чей рекорд держался с 1993 по 2004 год. Семь мировых рекордов поставлено на виндсерфе, еще шесть — на кайтсерфе.
Рекорды скорости на морской миле фиксируются со сравнительно недавнего времени, с 2003 года. Ставились они десять раз, из них четырежды — виндсерфингистами. Сложно сказать, сколько продержатся ларсеновские рекорды. Конфигурация его Vestas Sailrocket 2 всем известна — неудивительно, если в ближайшие годы появится ряд клонов. Правда, своими достижениями австралиец, похоже, выбил из рекордной гонки виндсерферов и кайтсерферов, которые физически исчерпали скоростные возможности своих снарядов.
Рекорд Vestas Sailrocket 2 на 500-метровке очень велик относительно всех преследователей и потому имеет все шансы продержаться не меньше десятка лет. Не стоит забывать, что при всей гениальности конструкции судна роль удачного стечения обстоятельств и погодных условий во время заплыва трудно приуменьшить. Чтобы побить рекорд, нужно очень, очень постараться — при условии невероятного везения.
С другой стороны, если кто и сможет поставить новый рекорд, то скорее это будет именно Ларсен, поскольку он имеет «фору» — готовую техническую схему очень высокого уровня. Если он будет совершенствовать свой «болид», то сможет постепенно превосходить свои достижения — раз за разом, хотя бы на пол-узла, ставя новые и новые мировые рекорды.
Тримаран Banque Populaire V предназначен для длительных переходов — об этом сразу говорят его размеры: длина — более 23 м, водоизмещение — 23 т. Парусность рекордного тримарана превышает 1300 м 2 .
Третий показатель
Несколько слов все-таки нужно сказать о самых быстрых дневных переходах. Три последних рекорда в этой категории были поставлены в ходе заплывов на самое быстрое пересечение Атлантики. Сегодня в обеих этих категориях первенствует француз Паскаль Бидегорри на тримаране Banque Populaire V — 1 августа 2009 года он сумел преодолеть 1681 км за 24 часа (!). Всего же в тот заезд команда Бидегорри пересекла Атлантику за 3 дня, 15 часов, 25 минут и 48 секунд.
Как уже говорилось, суда для длительных переходов серьезно отличаются по конструкции от болидов для единовременных мгновенных заездов на скорость. Например, Banque Populaire V имел команду из 11 человек и, соответственно, все необходимые для их трехдневного путешествия припасы и помещения. К слову, в 2011 году тримаран принял другой капитан, Лоик Пейрон, а годом позже под его командованием Banque Populaire V поставил новый рекорд скоростной кругосветки, обойдя всю планету за 45 дней, 13 часов, 42 минуты и 53 секунды.
Рекордная гонка не прекращается никогда. Никто не знает, где верхняя граница скорости, и потому еще многие годы человеку будет к чему стремиться. Даешь 70, 80, 90 узлов в час; возможно, когда-либо парусные суда преодолеют и границу в 100 узлов. А при таких скоростях они могут снова вернуться в океаны, составив конкуренцию своим дизельным собратьям.
КИЛЬ
Давно было замечено, что яхты с большим боковым сопротивлением ходят под парусом лучше, чем те, у которых фронтальное и боковое сопротивление одинаково. Перед конструкторами была поставлена задача, увеличить боковое сопротивление, не изменив при этом фронтальное. Киль оказался очень удачным решением.
На протяжении многих лет кораблестроители экспериментировали с его формой и размерами, стремясь добиться максимальной эффективности. Оказалось, что лучше всего работает длинный и узкий киль, и связано это с тем, что его основная функция создавать подъемную силу при движении в потоке воды. Киль симметричен, поэтому он способен создавать подъемную силу только в том случае, если направление движения не точно совпадает с продольной осью яхты, т.е. судно движется с некоторым боковым дрейфом. Именно благодаря боковому дрейфу, киль пересекает поток под углом, который называется углом атаки. Следствием этого является увеличение пути потока с «верхней», наветренной стороны. Благодаря этому, в соответствие с теорией крыла, с наветренной стороны происходит увеличение скорости потока и снижение давления. С подветренной стороны киля наблюдается снижение скорости потока и, соответственно, увеличение давления.
Длинное и узкое крыло работает намного эффективней, чем широкое и короткое. Это утверждение справедливо как для паруса, так и для киля, которые, по сути, есть крылья, только расположенные вертикально. Объяснение этому феномену – завихрения, которые формируются на конце крыла и создают дополнительное сопротивление движению. При одинаковой площади, у более длинного и узкого крыла подъемная сила больше, а затраты на вихревые образования меньше.
Благодаря более высокой, по сравнению с воздухом, плотности воды, роль формы киля особенно важна. При тех же гидродинамических свойствах узкий и длинный киль может иметь намного меньшую площадь смачиваемой поверхности, а значит и меньшее сопротивление. Наиболее ярким примером применения этого принципа являются яхты претенденты на Кубок Америки, а вот для обычной прогулочной или круизной яхты, такой киль может стать серьезной проблемой из-за лимита глубины в зонах их плаванья (рис. 3).
СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Существует довольно сложный комплекс сил, препятствующих движению яхты. Сопротивление воды перемещению корпуса. Так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к поверхности корпуса (силы Ван-дер-Ваальса), любое движение сопровождается затратой энергии на преодоление этих сил. Слой воды у самой поверхности корпуса, называется пограничным, скорость его смещения максимальна. По мере удаления от поверхности корпуса скорость смещения слоев воды уменьшается, т.е. существует градиент скорости. Затраты энергии на преодоление сопротивления воды пропорциональны площади смоченной поверхности и скорости движения.
Силы трения жидкости принципиально отличаются от сил трения между твердыми телами. Для того, чтобы уменьшить трение между поверхностями твердых тел их можно отполировать и смазать. Это уменьшит выступы на поверхности и заменит контакт между твердыми частями на контакт с молекулами смазочной жидкости. Смазка корпуса в принципе не имеет смысла, так как он движется в жидкой среде. Полировка корпуса так же не исключает необходимость разделять молекулы воды. Вывод: наиболее эффективный способ уменьшить трение, уменьшить площадь смоченной поверхности.
Формирование турбулентности - известный феномен потока. При движении с небольшой скоростью в потоке отсутствуют нарушения, завихрения, он плавный, т.е. ламинарный. По мере роста скорости потока в нем появляются смещения молекул друг относительно друга, равномерность исчезает, появляются завихрения. При достижении критического уровня количество завихрений резко увеличивается, происходит срыв потока. В результате этого разница давления с разных сторон крыла уменьшается, что приводит к исчезновению подъемной силы. В конце 19 века английский инженер Осборн Рейнольдс предложил формулу, результатом которой является безразмерная величина характеризующая момент перехода ламинарного потока в турбулентный. Оказалось, при типичной для яхт скорости около 5 узлов (2,4 м/с) турбулентность начинается для любой яхты длиннее, чем полметра.
Обычно турбулентность увеличивает общее сопротивление в четыре - пять раз! Неровная, шероховатая поверхность приводит к тому, что турбулентность возникает раньше и выражена она ярче. Поэтому для быстроходных яхт очень важно, чтобы поверхность корпуса была гладкой. Считается достаточным, чтобы шероховатость корпуса не превышала 0,05 мм. Обычно такой поверхности можно добиться, если ошкуренную поверхность покрыть двумя слоями хорошей краски.
Для скорости ветра в 5 м/с, которую можно назвать типичной, турбулентность возникает при ширине паруса более 3 метров. Срыв потока для паруса тоже очень опасен. Если при движении воздушного потока вдоль поверхности паруса формируется турбулентность, разница давления по разные стороны паруса исчезает, вместе с ней исчезает и подъемная сила (тяга) паруса.
Концевые завихрения , являются еще одним фактором увеличивающим сопротивление. Они возникают на конце крыла, а у яхты на верхушке паруса или нижней части киля. Как воздух, так и вода, двигаясь вдоль паруса или киля, будут стремиться уровнять давление по разные стороны соответственно паруса или киля, смещаясь из области высокого давления в область низкого. На рисунке 4 представлена схема такого перемещения для киля. С одной стороны, угол потока идет немного вверх, с другой немного вниз. В результате того, что на задней кромке киля или паруса потоки с обеих сторон встречаются под некоторым углом, происходит формирование вихрей, которые усиливаются с приближением к верхушке, и тут формируют концевой вихрь. Концевой вихрь приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшает его эффективную площадь и удлинение, снижает его динамическое качество.
На рис. 5 хорошо видно как формируются завихрения у топов мачт во время гонки, которая проходила в густом тумане, а на рисунке 6 видны те же вихри на крыльях самолета.
Чем шире киль, тем больше энергии тратится на вихревое сопротивление. Делая киль узким и длинным, конструкторы увеличивают соотношение подъемная сила – вихревое сопротивление. Тоже происходит с узкими и высокими парусами, особенно при движении острыми курсами. Длинные и узкие крылья для планеров делают по той же причине. Для того, чтобы уменьшить торможение, связанное с образованием концевых завихрений на киле, делают дополнительные горизонтальные крылышки. В авиации подобное устройство называют винглет (рис 7), оно помогает добиться оптимального распределения подъемной силы по площади крыла. Теория крыла, для минимизации индуцированного сопротивления рекомендует использовать эллиптический или конусообразный замыкающий наконечник, например бульб на конце киля.
Киль современных, не гоночных яхт представляет собой компромисс между удобным коротким и широким килем и очень эффективным, с высокими гидродинамическими качествами узким и длинным, но сложным в использовании вне гоночной дистанции. Сопротивление иного типа возникает в результате отклонения водного потока в процессе движения судна. В первую очередь оно зависит от геометрии корпуса. Понятно, что узкий корпус имеет меньшее сопротивление, чем широкий. Любая лодка является компромиссом между минимумом сопротивления и обеспечением необходимого пространства для пассажиров и грузов. На протяжении веков строители кораблей искали идеальную форму для заданного объема стремясь обеспечить минимальное сопротивление корпуса. Даже Исаак Ньютон занимался этим вопросом. Заключение, к которому он пришел – лучшая форма для корпуса эллипсоид вращения с присоединенным в передней части усеченным конусом.
Пространственное компьютерное моделирование и гидродинамические испытания показали, что оптимальным является корпус, плавно расширяющийся от носа и остающийся довольно широким у кормы. Многие конструкторы для обеспечения плавного течения у кормы сужают и приподнимают заднюю часть корпуса. Если поток у кормы не будет плавным, ламинарным, завихрения создадут значительное противодействие движению.
СКОРОСТЬ КОРПУСА.
При движении корпус создает волну, длина и скорость которой зависит от скорости яхты. Как только начинается движение, на воде формируется несколько коротких волн, которые перемещаются вдоль корпуса. По мере того как увеличивается скорость, увеличивается и длина этих волн, а количество, по длине корпуса, становится меньше (рис. 8а). На каком-то этапе яхта достигает скорости, при которой длинна волны становится равной длине корпуса яхты, т.е. гребень у носа, впадина в середине корпуса и второй гребень на уровне кормы (рис. 8б).
При дальнейшем увеличении скорости движения яхты, увеличивается и длина волны, следовательно, второй гребень будет все дальше смещаться назад, за корму. По мере смещения второго гребня назад, корма опускается во впадину между гребнями. Если посмотреть на корпус сбоку, получается, что нос задран вверх, корма опущена вниз, и яхта должна постоянно взбираться на волну, сопротивление движению при этом возрастает драматически (рис. 8в).
Этот тип сопротивления называют сопротивлением волны . Конечно, для моторной лодки с мощным двигателем и плоским днищем скорость, при которой корма достигает середины (впадины) волны, не является пределом. Добавив обороты двигателю моторной яхты, можно увеличить скорость и перейти из водоизмещающего режима на глиссирующий. Однако большинство парусных яхт не обладают такой возможностью, да и геометрия корпуса в большинстве случаев не предусматривает режим глиссирования. Поэтому для большинства яхт традиционной формы сопротивление волны оказывается непреодолимой преградой. Это касается не только парусных яхт, но барж, танкеров, больших пассажирских судов, словом всех, кто не способен глиссировать.
Скорость, при которой длина волны становится равной длине корпуса по ватерлинии, называется скоростью данного корпуса. Дальнейшее увеличение скорости принципиально возможно, но без перехода на глиссирующий режим, это связано с очень большими энергетическими затратами. На практике очень редко удается разогнать яхту до скорости в полтора раза превышающей скорость корпуса.
Скорость корпуса определяется формулой - v=1,34√L,
где v – скорость в узлах, L – длинна в футах. Так для яхты длиной ватерлинии 20 футов (6 м) максимальная скорость будет 6 узлов. Для большой круизной яхты с ватерлинией длиной 40 футов (12 м) скорость будет около 8,5 узла. Для 300 футового военного корабля скорость корпуса 23 узла.
Сопоставляя все препятствующие движению яхты факторы, мы обнаружим, что на трение приходится больше трети общего сопротивления, еще треть приходится на формирование волны, около 20 приходится на формирование завихрений у поверхности корпуса, 10 процентов – сопротивление, связанное с формированием завихрений у задней и нижней кромки киля. Остальное приходится на сопротивление надводной части (сопротивление рангоута, воздушные завихрения формируемые парусом и т.п.). Конечно, соотношение перечисленных компонентов может меняться в значительных пределах в зависимости от формы корпуса, условий в которых движется яхта, курса относительно ветра и т.д.
Подводя итог можно сформулировать следующие правила, - быстрее движется та яхта, у которой длиннее и уже корпус, больше площадь парусов и меньше площадь смоченной поверхности. Конечно, такие простые правила могут привести к тому, что конструкторы будут делать длинные лодки с каютами, которые не обеспечивают даже минимальный комфорт. Но любое конструкторское решение, это компромисс между взаимоисключающими пожеланиями. Для движения фордевинд желательно иметь широкие квадратные паруса, которые будут легко захватывать ветер и киль минимальных размеров. Напротив, для движения против ветра лучше работают высокие узкие паруса, потому что они обеспечивают наилучшее соотношение подъемной силы и потерь, связанных с образованием вихрей. Киль на острых курсах должен быть длинным и узким, чтобы создавать максимальное боковое сопротивление при минимальной смоченной поверхности. Но такой киль очень неудобен вне гоночной трассы или просто на мелководье. Недлинный киль с бульбом или горизонтальными крылышками, отличный компромисс удовлетворяющий большинство яхтсменов.
The Physics of Sailing Explained: An Introduction
Одним из самых известных и престижных состязаний на скорость среди яхт (парусных) считается Кубок «Америки», ведущий свою историю с 1851 года. Стоит отметить, что данные соревнования получили свое название не от имени континента, как можно было бы подумать, а от шхуны с аналогичным названием, победившей в первой международной регате.
Длительное время в Англии проводились внутренние соревнования среди флота Королевской яхтенной эскадры, и у англичан не было ни малейших сомнений в том, что именно их суда самые быстроходные. Однако в 1851 году бросить им вызов осмелился Джон Стивенс, основавший Нью-Йоркский яхт-клуб, вместе с командой единомышленников. Для того, чтобы иметь возможность противостоять высокоскоростным английским яхтам, они построили шхуну длиной почти 31 метр, которую назвали «Америка».
Первоначально англичане не хотели допускать ее к соревнованиям, однако после того, как им было публично предъявлено обвинение в трусости, все-таки уступили. На старт тех соревнований, помимо «Америки», было полтора десятка местных яхт, однако все они в итоге проиграли «гостье» из-за океана. Причем к финишу она пришла с невероятным двадцатиминутным отрывом от ближайшего преследователя.
Таким образом почетный трофей покинул родину и отправился в Соединенные Штаты, причем, как оказалось позже, обосновался он там надолго. На протяжении ста тридцати двух лет нью-йоркскому яхт-клубу удавалось удерживать у себя кубок, пока наконец в 1983 году экипажу австралийской яхты Австралия II удалось сделать, казалось бы, невозможное и прервать американскую гегемонию. На данный момент Кубок «Америки» вновь принадлежит команде из Соединенных Штатов – BMW Oracle Racing.
С 2013 года данные соревнования проводятся на суперсовременных 22-метровых катамаранах класса AC72 водоизмещением 5900 килограмм. Максимальная скорость, которую способны развивать данные суда, составляет 40 узлов в час (для сравнения, скорость родоначальницы Кубка «Америки» не дотягивала и до 17 узлов в час).
Самая быстрая парусная яхта
Звание быстрейшего парусника планеты на данный момент принадлежит тримарану Hydroptere, построенного французской командой энтузиастов. Стоя на воде, данное судно занимает территорию, равную по площади приблизительно баскетбольной площадке. На тридцатиметровой углепластиковой мачте закреплен парус из сверхпрочных полимерных материалов площадью 600 квадратных метров. Места на борту Hydroptere крайне мало, так как яхта создавалась не для размеренных и комфортных круизов или стоянок в какой-нибудь уютной гавани, а для установления скоростных рекордов.
Необходимо отметить, что данная яхта представляет собой нечто среднее между судном и летательным аппаратом, так как она фактически летит на размещенных под поплавками крыльях. Приблизительно на скорости в 12 узлов (около 22 километров в час) Hydroptere приподнимается из воды, становясь на эти подводные крылья.
Для того, чтобы разогнать яхту, необходимо добиться снижения ее лобового сопротивления, и после перехода судна в режим полета погруженными в воду остаются только часть рулевого пера, а также нижние половины двух крыльев, имеющих вид клинков. Добиться подъема Hydroptere в воздух чрезвычайно просто, для этого требуется только поймать ветер, а остальную работу выполнят крылья, воспользовавшись сопротивлением воды, омывающей корпус, как подъемной силой.
В открытом море управление яхтой во многом зависит от хорошей реакции членов экипажа, а также от их интуиции. Каждый порыв ветра должен быть встречен выверенными движениями команды, подстраивающей угол и натяжение паруса. Основная задача – избежать перегрузки паруса, при которой в результате напора ветра одно из крыльев полностью поднимется над водой, поскольку в такой ситуации судно может легко потерять равновесие, следствием чего станет его опрокидывание.
Для экстремальных случаев у основания штурвала яхты предусмотрена аварийная кнопка, нажав на которую можно мгновенно осуществить сброс парусов. У капитанского кресла находится специальный джойстик, при помощи которого выполняется управление вертикальным пером руля, оснащенным горизонтально ориентированным стабилизатором, позволяющим регулировать дифферент судна.
Путем подстраивания дифферента рулевой изменяет угол атаки размещенных спереди подводных крыльев. От этого угла зависит подъемная сила: чем он меньше, тем меньше подъемная сил, и наоборот. Иными словами, при помощи данного джойстика можно регулировать высоту полета судна.
Максимальная скорость, которую способен развить Hydroptere, при этом оставаясь устойчивым, составляет 50 узлов (около 90 километров в час). Предельная же скорость, когда-либо достигаемая данным судном, - 61 узел (около 113 километров в час).
Самая быстрая яхта в мире
Какими бы высокоскоростными ни были парусные суда, они все-таки немного уступают своим моторизованным собратьям, так как скорость последних не зависит от силы ветра. На сегодняшний день пальму первенства среди самых быстрых яхт удерживает судно под названием Millenium-140 (второе название - The World is not Enough, что в переводе звучит как «Целого мира мало»).
Данная яхта представляет собой смесь баллистической ракеты с плавучим дворцом, так как, помимо невероятной скорости, она может похвастаться люксовым убранством своих кают, в которых есть абсолютно все, что нужно для жизни человека. Millenium-140 представляет собой 42-метровую яхту, приводимую в движение двумя силовыми агрегатами Paxman, общая мощность которых составляет 5436 лошадиных сил. Помимо этого, судно оснащено двумя газовыми турбинами, приплюсовывающими еще 4600 лошадиных сил.
Подобный «арсенал» позволяет судну развивать невероятную скорость, равную 70 узлам (почти 130 километров в час). Разработкой проекта данной яхты занимался военно-морской архитектор Франк Мульдер. При создании Millenium-140, чтобы добиться выдающихся скоростных показателей, он использовал некоторые технологии из военной авиации.
Стоит отметить, что яхта отличается не только своей динамикой, но и потрясающе низким уровнем шума и вибрации. Находясь в своих каютах, пассажиры абсолютно не ощущают, что судно движется со скоростью, превосходящей сто километров в час, ощущения в чем-то схожи с ездой в современном представительском авто, которое также, словно плывет по дороге, не замечая многочисленных неровностей.
Яхта Millenium-140 способна принять на свой борт до десяти пассажиров и восьми членов экипажа. Созданием эксклюзивного интерьера судна занимался декоратор Эван Маршал, превративший палубы и каюты в изысканные пятизвездочные апартаменты, достойные королей и президентов.
Сложность проектирования интерьера заключалась в том, что все детали должны были получиться не только роскошными, но также сверхлегкими и достаточно прочными. К примеру, расположенная в холле лестница была создана по невероятно дорогой технологии из углеволокна, пропитанного смолой и прошедшего процесс ламинирования. Millenium-140 – абсолютно уникальное судно, которое останется единственным в своем роде, даже если его скоростные показатели кому-то удастся превзойти в будущем.
Еще в начале пятидесятых годов многие яхтсмены с предубеждением относились к установке на парусной яхте бензинового мотора или дизеля. Двигатель на яхте считали совершенно бесполезным и даже опасным (в пожарном отношении) грузом; утверждали, что мотору свойственно отказывать в работе в самые критические минуты. Большинство яхтенных капитанов называло противоестественным союз мотора и паруса.
Сейчас положение изменилось. Трудно найти яхтсмена-крейсерщика, который отрицал бы необходимость установки вспомогательного двигателя. Подавляющее большинство крейсерских яхт снабжают моторами, если не при постройке, то при последующем переоборудовании.
Мотор, безусловно, необходим, когда яхте приходится входить в гавань по узкому извилистому фарватеру, лавируя против встречного ветра. О нем невольно вспоминают и тогда, когда паруса беспомощно повисают, а нужно срочно возвращаться в яхт-клуб, идя против сильного течения. А постановка на якорь и съемка с якоря в узкостях, переходы по каналам и под мостами, плавание в штиль? Во всех этих случаях мотор не только облегчает маневрирование, но и позволяет экономить время, которое затем можно использовать для того, чтобы уйти на сотню миль дальше или для знакомства с достопримечательностями на берегу.
У туристов, плавающих на катерах, наоборот, часто появляется желание поставить паруса, чтобы использовать свежий попутный ветер, сэкономить топливо, да и просто отдохнуть от постоянного шума мотора и вибрации.
Ниже рассматриваются особенности комбинированных моторно-парусных судов , сочетающих качества парусной яхты и катера . Двумя крайними полюсами таких комбинированных судов являются яхта со вспомогательным мотором небольшой мощности и полной парусной оснасткой и катер с мощным двигателем и вспомогательной парусностью (в основном для придания судну устойчивости на взволнованном море). Суда промежуточного типа, рассматриваемые в настоящей статье, в дальнейшем будут называться моторными парусниками .
Катер и яхта. Нетрудно сопоставить основные эксплуатационные качества моторного катера и парусной яхты в форме табл. 1.
Таблица 1. Сопоставление основных качеств парусной яхты и катера
| Показатель | Парусная яхта | Катер |
|---|---|---|
| Характеристика | ||
| Скорость хода | Неустойчивая, зависит от силы ветра и курса яхты | Практически постоянна |
| Дальность плавания | Ограничивается только запасами воды и провизии | Ограничивается запасами топлива |
| Мореходность | Высокая (неограничена для яхт океанского плавания) | Ограниченная (для большинства катеров прибрежного плавания - волнение 3-5 баллов) |
| Осадка | Большая (2,1 м для яхты длиной по КВЛ 10 м) | Малая (0,9 м для катера длиной по КВЛ 10 м) |
| Условия обитаемости | Бесшумность; ход с креном | Повышенная шумность и вибрация корпуса |
| Минимальный экипаж | 2-3 чел. на вахте, 4-6 для аврала | 1-2 чел. на вахте, 2 чел. для аврала |
| Затраты на организацию похода | Продовольствие | Продовольствие - топливо |
При проектировании моторного парусника ставится задача получить высокую скорость, как под мотором, так и под парусом и сохранить малую осадку катера, которая делает доступными многие мелководные гавани и бухты. От парусной яхты должны сохраниться высокие мореходные качества, экономичность и большая дальность плавания, а также хорошие условия обитаемости.
В прибрежном крейсерском плавании килевая яхта (длиной по КВЛ 7-10 м) без мотора показывает среднюю скорость на переходе от 3 до 5 узл. На моторном паруснике можно получить устойчивую среднюю скорость на 3-4 узла больше, что позволяет за сутки пройти лишних 50-80 миль; отпадает необходимость лавировать при слабом встречном ветре или пережидать в море штилевые часы. С другой стороны, если команда катера часто вынуждена отказываться от выхода в море, особенно при сильном встречном ветре и большой волне, на моторном паруснике можно спокойно идти в крутой бейдевинд под зарифленными парусами.
Как же наилучшим образом сочетать в одном судне положительные качества ? Будет ли правильным ставить на парусную яхту мощный двигатель или на катер развитое парусное вооружение?
Известно, что парусное судно может развить приемлемую скорость, если площадь его парусности S (м²) находится в определенном соотношении с водоизмещением D (м³) и смоченной поверхностью Ω (м²) . Эти отношения не должны быть менее:
S 1/2 /D 1/3 = 3,8÷4,2; S/Ω = 2÷2,5,
причем первое из них характеризует ходкость яхты в сильный ветер, а второе - в слабый.
Яхта сможет нести такую оптимальную парусность, если она будет иметь хорошую остойчивость, которая обеспечивается глубоко погруженным тяжелым фальшкилем (вес его составляет 35-50% полного водоизмещения). Естественно, что при плавании под мотором такая остойчивость не нужна, а «перевозка» фальшкиля потребует непроизводительной затраты мощности двигателя; таким же бесполезным грузом в этом случае становятся рангоут, паруса и оснастка.
Для создания достаточного сопротивления дрейфу корпус яхты должен иметь большую площадь бокового сопротивления (14-18% площади парусов). Поэтому смоченная поверхность корпуса яхты больше, чем у катера таких же размерений, и для достижения одинаковой с катером скорости потребуется большая мощность мотора. Развитая оснастка и рангоут яхты увеличивают воздушное сопротивление, для преодоления которого также необходима затрата дополнительной мощности. Обводы яхты, рассчитанные на плавание с относительно низкой скоростью и с креном, не позволяют развить под мотором более высокую скорость, сколько бы ни увеличивалась его мощность.
С другой стороны, если на катер поставить парусное вооружение яхты таких же размеров, результат вряд ли будет удовлетворительным. Из-за отсутствия фальшкиля и высокого расположения тяжелых грузов (двигателя, запасов топлива, развитых надстроек) остойчивость катера окажется явно недостаточной для хода под парусами и потребуется уменьшение площади парусности. На нем нельзя будет идти круто к ветру, так как боковое сопротивление его корпуса невелико. Обводы его подводной части не рассчитаны на плавание с креном и дрейфом. Гребной винт большого диаметра и с широкими лопастями будет сильно тормозить ход под парусом. Да и сам корпус катера, рассчитанный на движение на какой-то одной и довольно высокой скорости, будет иметь сопротивление больше, чем корпус яхты.
Из сказанного ясно, что катер под парусами не сможет достичь одинаковых с яхтой лавировочных и ходовых качеств, так же, как и яхта с мощным мотором - достичь скорости катера тех же размеров и с двигателем той же мощности. При проектировании моторного парусника нужно найти компромисс между этими типами судов и отдать предпочтение тем или другим отдельным качествам.
Особенности движения водоизмещающих судов с большой скоростью. Каждый яхтсмен, безусловно, знает, что при движении яхты около ее корпуса образуются волны. Высота и длина этих волн растут по мере увеличения скорости яхты (рис. 1), а число их, укладывающееся на длине судна, уменьшается. Иногда можно видеть, как гоночные яхты, например, класса «Р-5,5», идут только на одной волне (соседние гребни расположены в носу и корме, а подошва около миделя). Такое положение означает, что яхта достигла своей предельной скорости, если ее вес, обводы и площадь парусности не позволяют перейти в режим глиссирования. Создается впечатление, что судно не в силах взобраться на гребень волны, которую создало оно само. Все же легкие яхты - «Летучие Голландцы» и «звездники» - в свежий ветер могут преодолеть этот барьер и глиссировать, находясь только на одном гребне, который располагается теперь уже около миделя. Подобные же явления наблюдаются и на катерах при постепенном увеличении их скорости.
Нетрудно заметить, что картина волнообразования зависит не только от скорости хода, но и от длины судна: чем короче судно, тем при меньшей скорости наблюдается явление волнового барьера. Поэтому в судостроении скорость судов принято характеризовать относительной скоростью, или числом Фруда,
где v - скорость судна, м/сек; L - длина по ватерлинии, м; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек², √ - корень квадратный.
Эта величина характеризует, прежде всего, интенсивность волнообразования у корпуса на данной скорости и долю мощности мотора или парусов, необходимую для создания этих волн. Например, если говорят, что яхта идет со скоростью Fr = 0,29, судостроитель знает, что независимо от ее длины:
На длине яхты укладываются примерно две поперечные носовые волны;
Мощность, потребная для создания волн, составляет около 50-60% всей необходимой мощности двигателя (остальная часть тратится на преодоление трения обшивки корпуса о воду и вихревого сопротивления корпуса).
Подобным же образом при числе Фруда Fr = 0,4÷0,5 наступает тот момент, когда судно идет на двух соседних гребнях одной волны, а сопротивление движению от волнообразования достигает 90% общего сопротивления корпуса. Эта скорость и представляет тот самый барьер, преодолеть который могут только легкие глиссирующие яхты или катера, имеющие соответствующие обводы и мощность двигателя. На рис. 2 приведен график зависимости сопротивления яхты (в виде потребной для его преодоления буксировочной мощности) от относительной скорости. Можно заметить, что в диапазоне Fr = 0,3÷0,5 сопротивление резко возрастает при самом незначительном увеличении скорости. Именно поэтому мощности, развиваемой парусами, обычно бывает достаточно только для достижения некоторой скорости v = 2,2÷2,4√L узл. (что соответствует относительной скорости Fr = 0,38÷0,39). Очевидно, что увеличение скорости яхты под мотором сверх этого предела без какого-либо изменения обводов и уменьшения водоизмещения потребует непомерного увеличения мощности мотора, а следовательно, увеличения его габаритов и веса, запасов топлива и водоизмещения судна в целом.
Поэтому скорость моторных парусников под мотором обычно не превышает значения v = 2,7√L. При такой скорости можно получить удовлетворительный компромисс между парусными качествами и ходкостью под мотором.
В табл. 2 приведены значения максимальной и экономической скорости для моторно-парусных яхт различной длины по КВЛ.
Таблица 2. Экономическая и максимальная скорости моторных парусников
При движении судна со скоростью выше v = 2,7√L (Fr = 0,45) оно образует, как уже отмечалось, волну, длина которой превышает длину судна, а вершина находится около миделя судна. Такая волна вызывает дифферент судна на корму, что, в свою очередь, приводит к увеличению кормовой волны и, в конечном счете, к резкому росту сопротивления воды движению судна. Для того чтобы противодействовать дифференту, корма судна должна иметь широкий транец и плоское днище с пологими, почти горизонтальными батоксами. Благодаря такой форме корпуса на днище создается подъемная сила, которая выравнивает судно, а при дальнейшем увеличении мощности - выжимает его из воды, переводя в режим глиссирования.
Однако такие обводы кормы неприемлемы для моторного парусника, так как при плавании с креном (под парусами) большой объем кормы становится причиной дифферента на нос; в результате корпус и киль яхты занимают неправильное положение (угол атаки) при лавировке и не позволяют идти круто к ветру, а образующийся за кормой поток тормозит движение яхты.
Таким образом, рассмотрев особенности движения тяжелых водоизмещающих судов, какими обычно являются туристские катера и яхты, можно сделать следующие выводы:
Максимально достижимая скорость под парусами для яхт составляет v = 2,2÷2,4 √L узл.;
Мощность двигателя для моторно-парусной яхты, обладающей хорошими лавировочными качествами, не должна превышать величины, необходимой для развития скорости v = 2,7 √L узл.;
Если судно рассчитывается на большую скорость под мотором, нельзя ожидать от него удовлетворительной способности лавировать.
Типы моторных парусников. В зависимости от величины скорости, развиваемой под мотором, и той роли, которая отводится парусу или мотору на данном судне, все моторно-парусные яхты могут быть условно разделены на четыре основных типа.
I. Яхты со вспомогательным двигателем. Это, по существу, обычные крейсерские яхты, на которых мотор играет второстепенную роль и устанавливается исключительно для облегчения входа и выхода из гавани, прохода по фарватеру, швартовки и т. п. Мотор выбирают с минимальными мощностью, весом и габаритами. Скорость под мотором в этих случаях не превышает значения v = 1,8÷2,0 √L узл. (5-6 узл. для большинства крейсерских яхт). Запас топлива также невелик, как правило - на 20-30 час. непрерывной работы двигателя, т. е на 100-200 миль.
Гребной винт для уменьшения сопротивления при ходе под мотором должен иметь минимально допустимый диаметр, узкие лопасти; обычно размещают винт в окне ахтерштевня и руля.
Мощность вспомогательного двигателя для достижения указанной скорости обычно составляет 1,2÷2,0 л. с. на 1 т водоизмещения яхты. Вес мотора при этом не превышает 3% водоизмещения D, а вес запасов топлива 2% D. Поэтому установка двигателя не сказывается ни на остойчивости яхты, ни на ее лавировочных качествах. Вес фальшкиля сохраняется в пределах 35-45% D.
II. с предпочтением парусным качествам. Проектируя суда этого типа, конструктор обычно стремится сочетать хорошие лавировочные качества и ходкость под парусами со сравнительно высокой скоростью под мотором. Один из таких парусников показан на рис. 3.
 |
От яхт со вспомогательным мотором моторные парусники рассматриваемого типа отличаются более мощным мотором (4÷5,5 л. с./т) и, следовательно, большей скоростью хода под мотором (2,2÷2,4√L узл.), а также увеличенной дальностью плавания под мотором (до 800-1000 миль для яхты длиной около 15 м). Здесь двигатель играет такую же основную роль, как и паруса, поэтому ходовым качествам под мотором уделяется большее внимание. Часто этот тип яхт называют «50/50» (т. е. по 50% от яхты и катера).
На рис. 4 показан теоретический чертеж моторного парусника, основные элементы которого указаны в табл. 3 (для сравнения рядом приведены данные по яхте типа I и мореходному катеру с такой же длиной по КВЛ).
Таблица 3. Сравнение судов рассматриваемых типов
| Характеристика | Моторный парусник (тип II) |
Яхта (тип I) |
Катер |
|---|---|---|---|
| Длина наибольшая, м | 14,35 | 16,0 | 11,0 |
| Длина по ватерлинии, м | 10,97 | 10,97 | 10,25 |
| Ширина наибольшая, м | 4,10 | 3,70 | 3,2 |
| Осадка, м | 1,52 | 2,26 | 0,85 |
| Водоизмещение, т | 16,5 | 17,7 | 5,8 |
| Вес фальшкиля, т | 5,0 | 7,8 | - |
| Площадь парусности, м² | 96,4 | 123 | - |
| Мощность двигателя, л. с. | 94 | 41 | 140 |
| 9,0 | 6,5 | 16,2 | |
| Дальность плавания, миль | 700 | 150 | 500 |
| 5,7 | 2,3 | 24,1 |
Для обводов этого моторного парусника характерны малая осадка, короткие свесы, прямая килевая линия, более широкая, чем обычно у яхт, транцевая корма. Развал шпангоутов в носу и очертания палубной линии - типичные для моторных яхт. Ватерлинии в носу имеют более острый угол входа (заострение), а батоксы в корме поднимаются под меньшим углом к ватерлинии, чем у парусной яхты.
В связи с установкой мощного дизеля вес фальшкиля уменьшен до 30%D. Гребной винт размещен в большом окне ахтерштевня, за вертикальным старнпостом и имеет значительный диаметр. Такое размещение винта способствует повышению его к. п. д. и более полному использованию мощности. Естественно, что уменьшенная остойчивость, а также подрезанная подводная часть ДП не позволяют нести полную парусность. На более крупных яхтах этого типа для улучшения лавировочных качеств часто устанавливают шверт. Вариант со швертом - удачный компромисс между парусом и мотором: при ходе под мотором шверт можно убрать и тем самым уменьшить смоченную поверхность корпуса.
Чтобы уменьшить сопротивление воздуха при ходе под парусами, объем надстроек стремятся свести до минимума.
Из характерных для этого типа судов соотношений можно отметить еще параметр
S 1/2 /D 1/3 = 3,5÷3,9,
в то время как у яхт типа I эта величина больше (3,8÷4,4).
III. Моторно-парусные яхты с предпочтением катерным качествам. В этом случае скорость под мотором играет первостепенную роль и достигает v = 2,7÷2,9 √L узл. Как уже отмечалось, на этой скорости судно получает сильный дифферент на корму, поэтому предпочтительна широкая транцевая корма с пологими линиями батоксов. Необходимая мощность двигателя повышается до 6,5÷9 л.с./т, что заставляет уменьшать вес фальшкиля до 15-25% D.
Осадка принимается такой, чтобы разместить гребной винт необходимого диаметра (обычно Т=11÷13% L).
Поскольку форма корпуса все равно оказывается неприспособленной для крутой лавировки, отказываются от устройства шверта, увеличивают объем надстроек. Площадь парусов относительно невелика:
S 1/2 /D 1/3 = 2,8÷3,4.
Паруса предназначаются главным образом для плавания полными курсами в свежий ветер и стабилизации движения яхты на взволнованном море.
Примером судна рассматриваемого типа может служить «Серч» (рис. 5 и 6) - мореходная яхта, предназначенная для дальних плаваний. Она имеет хорошие ходовые качества как под мотором, так и под парусами. Основные элементы яхты приведены в табл. 4 (рядом для сравнения приведены данные яхты со вспомогательным мотором «Хортица»).
Корпус яхты по характеру обводов приближается к форме мореходного катера (прямая килевая линия, короткие свесы, высокий надводный борт, корма с частично погруженным в воду широким транцем). Гребной винт диаметром 850 мм размещен за ахтерштевнем в большом окне.
«Серч» несет в два раза меньшую парусность, чем яхта со вспомогательным мотором. Паруса относительно широкие, с низким центром парусности, рассчитанные на хождение полными курсами.
Таблица 4. Сравнение двух характерных судов
| Характеристика | «Серч» | «Хортица» |
|---|---|---|
| Длина наибольшая, м | 14,9 | 18 |
| Длина по ватерлинии, м | 13,0 | 13,3 |
| Ширина наибольшая, м | 4,27 | 4,0 |
| Осадка, м | 1,53 | 2,2 |
| Водоизмещение, т | 21,5 | 24,5 |
| Вес фальшкиля, т | 1,5 | 7,8 |
| Площадь парусности, м² | 69 | 150 |
| Мощность двигателя, л. с. | 140 | 62 |
| Скорость хода под мотором, узл. | 10 | 7 |
| Дальность плавания, миль | около 900 | 100 |
| Удельная мощность двигателя, л. с./т | 6,5 | 2,5 |
| S 1/2 /D 1/3 | 3,18 | 4,22 |
IV. Катера со вспомогательными парусами. Если катер предназначен для плавания в море или на большом озере, имеет смысл установить на нем паруса небольшой площади, в первую очередь, для улучшения мореходности на волне (прежде всего для повышения устойчивости на курсе, смягчения качки и придания способности лежать в дрейфе). В свежий ветер катер может идти (без мотора) с небольшой скоростью в бакштаг или даже лавировать, подрабатывая двигателем. Площадь парусов принимается около 5 м²/т для катеров водоизмещением до 5 т; 4÷3 м²/т для катеров водоизмещением 5-10 т и 2,5÷3 м²/т для больших судов.
В качестве примера назовем мореходный катер «Пассажмэкер» (рис. 7 и 8), предназначенный для дальних морских и океанских плаваний. Мощность двигателя невелика - всего 40 л. с. (1,6 л. с./т); соответственно невысока и скорость - 7,5 узлов (2√L), зато запас топлива составляет 5,5 т (22% D), что обеспечивает огромную дальность плавания - 2400 миль. На одну пройденную милю расходуется всего 2,3 кг топлива.
Длина наибольшая 15,3, а по КВЛ - 14,0 м; ширина 4,9 м, осадка 1,53 м, водоизмещение «Пассажмэкера» 25 т, причем вес фальшкиля всего 3,3 т (13% D). Площадь парусности около 50 м².
Обводы его корпуса характерны для моторных мореходных яхт, имеющих небольшую скорость (острые ватерлинии в носу, днище с большой килеватостью у транца, прямая килевая линия). Типичны также высокий надводный борт и развитые надстройки. Этот теоретический чертеж может быть принят за основу для проектирования моторного парусника меньшей длины (9-10 м).
Следует заметить, что на яхтах этого типа часто устанавливают невысокие скуловые кили, которые существенно уменьшают дрейф под парусами, а кроме того, служат эффективными успокоителями качки.
Д. А. Курбатов, 1966 г.