В этой связи представляет интерес обоснование рационального подхода к проектированию рулей, приводимое английским исследователем А. Милуордом, которое в кратком изложении публикуется ниже.
Относительное удлинение и конфигурация руля
Перекладывая руль, мы увеличиваем поперечную силу, возникающую в результате обтекания его косым потоком воды. Вместе с тем растет и величина лобового сопротивления (физическая картина здесь та же, что и при движении крыла). Эффективность действия руля повысится, если поперечная сила, необходимая для поворота или удержания яхты на курсе, будет получена на меньших углах перекладки, когда сопротивление растет сравнительно медленно.
Обратимся к рис. 1. Кривые на нем показывают величину поперечной силы, полученную на рулях прямоугольной формы и одинаковой площади, но с различным относительным удлинением, которое для руля прямоугольной формы определяется отношением длины пера к ширине, а для сложных форм — отношением квадрата длины к площади. Как видно, например, при перекладке на 10° поперечная сила руля с удлинением 3 более чем на 30% выше, чем у равностороннего (удлинение — единица). Сопротивление же первого руля в этих условиях получается даже меньше, чем у второго (рис. 2). С дальнейшим увеличением относительного удлинения руля выигрыш с гидродинамической точки зрения становится все менее ощутимым. Очень длинный и узкий руль, кроме того, работает эффективно лишь при небольших углах перекладки (это также видно но характеру кривых на графике).
На практике целесообразно использовать рули, длина которых примерно в 2—2,5 раза превышает ширину. Такое соотношение размеров позволяет сделать руль достаточно прочным; к тому же, меньше шансов поломать его при плавании на мелководье, чем длинный руль большего удлинения.
Величины поперечной силы, показанные на рис. 1, определялись в предположении, что руль установлен вплотную к корпусу яхты. В действительности между ними оставляется зазор, величина которого оказывает заметное влияние на эффективность работы руля. Так, зазор всего в 5 мм может снизить поперечную силу руля на 10% и увеличить его сопротивление на 4%.
При выбранном относительном удлинении немаловажное значение имеет конфигурация пера руля. Его боковая проекция может иметь форму от прямоугольной до треугольной. Испытания, проведенные в бассейне, показали, однако, что наименьшее сопротивление будет иметь трапециевидный руль, у которого верхняя сторона примерно в три раза больше нижней. Более наглядно эта зависимость показана на рис. 3.
Следует ли закруглять нижнюю кромку руля? Ответ на этот вопрос также был получен в результате серии испытаний. Против ожиданий они показали, что наилучшее качество имеет все же руль с совершенно прямым срезом. Его эффективность, по сравнению с рулем, имеющим скругленные концы, была эквивалентна приросту относительного удлинения примерно на 0,04. Любые другие формы нижней кромки руля оказались неэффективными (рис. 4).
Выяснилось также, что руль со значительным наклоном к корме, эффектно выглядящий на чертеже, в действительности имеет большее сопротивление, чем вертикальный. Наклон определялся углом, образованным линией, проходящей на расстоянии ¼ длины хорды от передней кромки, и вертикалью. Оптимальный вариант соответствовал небольшому (5°) наклону руля к корме (рис. 5),
Профиль поперечного сечения
Заслуживают внимания в основном два вида поперечных сечений рулей: нормальный профиль (серии NACA-00) с максимальной толщиной приблизительно на трети расстояния от передней кромки крыла и ламиниризованный профиль, или профиль малого сопротивления (серии NACA-66), у которого наибольшая ширина находится на середине между передней и задней кромками. Характеристики ламиниризованного профиля рассчитываются на получение низкого сопротивления при незначительной поперечной силе.
С увеличением угла перекладки более 3" рули такого сечения утрачивают свое преимущество, как это можно видеть на рис. 6. На практике, когда поверхность руля испещрена царапинами или имеет неровности, ламиниризованный профиль работает хуже нормального при любом угле перекладки. Поперечная сила на руле с нормальным профилем всегда равна или больше, особенно при больших углах перекладки, чем при профиле малого сопротивления (рис. 7).
Исследование влияния относительной толщины нормального профиля (отношения наибольшей толщины к хорде) на эффективность работы руля показало, что хотя самый тонкий из рассмотренных рулей (6%) имеет наименьшее сопротивление при нулевой поперечной силе, т. е. до перекладки, гидродинамическое его качество в реальных условиях значительно хуже, чем у рулей с 9- и 12-процентным профилями (рис. 8). Самый толстый 12-процентный профиль имел немного большее сопротивление, чем 9-процентный, на углах перекладки до 7°. Однако срыв потока на стороне разрежения, приводящий к резкому падению поперечной силы и росту сопротивления, у него начинался при перекладке на 16°, в то время как у 9-процентного он наступал при 13°, а у 6-процентного — при 9°.
Балансировка руля
У большинства профилей центр приложения сил расположен на ¼ хорды от передней кромки. Если баллер проходит через эту точку, то для перекладки руля и удержания его на месте не потребуется никакого усилия. Однако в этом случае рулевой плохо чувствует руль. Если сместить ось руля ближе к кормовой кромке, то при любом его отклонении возникает сила, которая будет стремиться вырвать румпель из рук рулевого. Очевидно, баллер должен проходить в нос от линии, проходящей на ¼ хорды от передней кромки. Тогда руль при любой перекладке будет стремиться вернуться в исходное положение.
