Что же делают ставшие уже вездесущими ЭВМ в парусной мастерской?
Цель большинства парусных мастеров — сделать «быстрые» паруса. Наука эта очень непростая: паруса могут с виду отличаться друг от друга почти незаметно, а разница в их работе будет весьма ощутима. Труд парусных дел мастера — это пробы и ошибки, опыт и здравый смысл. Как раскроить полотнища, чтобы получить нужную форму паруса? Ведь окончательно оценить парус можно, лишь когда он уже сшит; вот почему так часто приходится что-то переделывать, иногда даже после испытаний на судне.
Обычно парус проектируется в двух измерениях. Мастер вычерчивает плоские полотнища, и только опыт позволяет ему судить, приобретут ли они в сшитом виде требуемую форму. С точки зрения проектирования правильнее было бы поступать иначе: сначала представить парус в объемном, трехмерном виде, а уж потом делать раскрой полотнищ. При проектировании «вручную» этот способ практически неприемлем. И тут на сцену выходит ЭВМ.
Первыми сделали попытку использовать ЭВМ для раскроя парусов новозеландцы. Еще в 70-х годах у них была составлена программа для «плоского» проектирования парусов. Однако она по понятным соображениям их не удовлетворила, да и ЭВМ здесь использовалась, в основном, как мощный калькулятор. В 1985 г. у них появилась новинка — программа для объемного раскроя парусов, разработанная компанией «Сейлс Сайнс». Эта программа позволяет парусному мастеру сначала спроектировать парус в объемном виде, а потом получить раскрой и таблицу ординат полотнищ. Оператор, работающий за дисплеем, имеет возможность манипулировать с «картинкой» паруса, видимого с любой точки яхты или со стороны. С помощью светового пера он может менять любой размер или очертания паруса. Удобно и то, что парус представляется на дисплее вместе с необходимыми деталями рангоута.
Другой отличительной чертой описываемой системы является возможность хранения в памяти ЭВМ описаний комплектов уже спроектированных парусов (грота, стакселя и спинакера) для конкретных яхт вместе с характеристиками самих яхт. При выполнении нового заказа часто бывает достаточно подобрать близкий прототип, а ЭВМ, работая по соответствующей программе, «сама» подгонит парус по месту.
Спроектировав форму паруса, мастер должен решить еще одну задачу: наилучшим образом расположить швы. Это далеко не всегда просто, так как учитывать при этом нужно множество факторов и среди них — силу ветра, на которую рассчитан парус. И в этом тоже ЭВМ помогает мастеру. Точнее, не ЭВМ, а разработанная специалистами программа.
Нельзя не сказать, что компьютер оказывает существенную помощь не только в проектировании парусов, но и в их изготовлении. Работая совместно с координатником, оснащенным маломощной лазерной головкой, ЭВМ обеспечивает непосредственный раскрой парусной ткани. Программа раскроя составлена таким образом, что отходы получаются минимальными.
Так обстоят дела с автоматизированным раскроем парусов у пионеров в этой области — яхтенных конструкторов Новой Зеландии. У нас в стране тоже ведутся подобные работы. Ученые Горьковского политехнического института, например, разработали программы раскроя парусов для Таллинской экспериментальной верфи спортивного судостроения. Не отстают от них и кораблестроительные институты — Ленинградский и Николаевский. Об их работах и рассказано в публикуемой статье А. Бесядовского.
Представьте себе, что вам надо сшить парус. Допустим, вы выбрали условия, в которых он должен работать. Предположим далее, что вы не пожалели времени и проштудировали «Теорию плавания под парусами» Ч. Мархая. После такой солидной теоретической подготовки вы стали свободно оперировать понятиями «пузо», «серп», «профиль» и т. д. Что же дальше? Если вы придете на верфь заказывать парус, то от вас совершенно справедливо потребуют чертеж, ибо «парус с полнотой 1/7» Для них - пустой звук.
Если вы направитесь к парусному мастеру, он не станет вдаваться в ваши теоретические экскурсы, а бормоча себе под нос: «Ага, на слабый ветер...», вытащит из заветной кипы чертежей что-либо более или менее подходящее. Обычно такой чертеж снимается с распоротого «фирменного» паруса. На ваш робкий вопрос. «Каково пузо этого паруса?» последует исчерпывающий ответ: «Какое нужно!». И действительно, парус получится хороший.
Но какой? А можно ли сделать лучший? А как быть, если нет прототипа — скажем, вы сами спроектировали судно? И как вообще связать аэродинамические понятия — профиль, стрелка прогиба, «крутка» — с практическим раскроем паруса, длиной и величиной закладок, серпами по шкаторинам и т. д.?
Задача проектирования паруса может быть разделена на три:
1. Выбор типа парусного вооружения и согласование его с характеристиками корпуса. В ЛКИ созданы программные комплексы, позволяющие рассчитывать силы и моменты, а также находить точки их приложения на подводной части яхты, включая киль и руль, а также на парусном вооружении яхты. При этом учитывается влияние дрейфа, крена, близости палубы и водной поверхности. Программы позволяют выбрать геометрические параметры элементов корпуса и вооружения, обеспечивающие необходимую центровку и ходовые качества яхты.
2. Нахождение оптимальной формы паруса и его геометрических параметров. Разработанная для решения этой задачи программа позволяет рассчитать распределение сил и давлений, а также поле скоростей на парусе, имеющем произвольные форму в плане и профиль. Варьируя эти параметры, можно найти наилучший для данных условий профиль паруса, имеющий максимальное качество при заданном положении центра парусности с учетом влияния других парусов.
3. Создание выкройки паруса, имеющего форму, найденную при решении второй задачи. Для этого необходимо связать параметры сложной трех мерной поверхности с ее разверткой на плоскость.
Общеизвестно, что существуют два метода раскроя парусов: первый - метод серпов (рис 1). Необходимый для образования формы паруса запас материи в данном случае создается за счет добавления ее по шкаторинам так называемых серпов. Серп SR может быть как положительным, так и отрицательным, т. е. приводить к увеличению или уменьшению полноты паруса. Второй — метод закладок. Форма паруса в этом случае задается за счет профилировки каждого полотнища, из которых состоит парус (рис. 2) Профилировка получается путем образования закладок Z, которые тоже могут быть положительными или отрицательными.
Паруса, сшитые по первому методу, хорошо стоят в свежие ветра. В слабый ветер они теряют форму и висят «мешком». Кроме того, нельзя заранее сказать, в каком сечении у них будет находиться максимальная стрелка прогиба — т. е. пузо. Второй метод позволяет сшить хороший парус, лишенный указанных недостатков, однако при этом возникает вопрос: каковы должны быть размеры закладок?
Обычно действуют методом проб и ошибок: на глаз раскраивают парус, шьют его, ставят на мачту и смотрят. Если парус получился на взгляд «хорош», то его пускают в эксплуатацию, если нет — перешивают, устраняя возникшие из-за неправильного раскроя фалды и бухтины. Выявленные в процессе эксплуатации дефекты устраняют, увеличивая или уменьшая закладки.
Автор попробовал связать основные параметры паруса и элементов его раскроя полуэмпирическими зависимостями и с помощью элементарных математических операций получить данные, необходимые для построения чертежа — выкройки паруса. Как показывает опыт, парус конструируется в расчете не только на определенный ветер, но и на определенный курс — недаром на крейсерских гонках разрешают применять большое количество дополнительных парусов. стакселей и спинакеров. Поэтому углы атаки паруса относительно выбранного среднего значения меняются незначительно. Это значит, что распределение давления по хорде паруса и положение центра давления остаются практически неизменными. Исходя из сказанного, можно счи тать — и это подтверждается опытом, что максимальная величина стрелки прогиба будет находиться на линии, соединяющей концы за кладок.
При конструировании паруса использовался комплексный метод, при котором форма паруса образуется закладками, а изгиб мачты компенсируется серпами.
Для расчета необходимы следующие данные:
- длины шкаторин в случае олимпийских классов или величины Lп, Lн, Lз и условная величина Н в случае яхт, обмеренных по IOR (рис. 3);
- величина серпа по нижней шкаторине F1;
- LF1 — отстояние F1 от галсового угла:
- F2max — величина стрелки прогиба горизонтального сечения — т. е. максимальное пузо;
- LF2 — отстояние F2max от нижней шкаторины;
- S — ширина полотнищ, из которых шьется парус.
Надо учесть, что перед раскроем у материала необходимо отрезать боковые кромки, деформированные при каландрировании — примерно по 10 мм с каждой стороны. Ширина швов, которыми будет сшит парус — WS. Необходимо ввести также желаемую величину пуза паруса, которую он будет иметь на изогнутой мачте или штаге (косвенный учет изгиба мачты).
Поскольку расчет по этой методике довольно громоздкий, то была написана программа для ЭВМ, которая может быть реализована даже на малых машинах типа «Искра-226», «Электроника-60», ДВК. Время счета на ЭВМ «ЕС-1033» меньше 1 минуты.
В процессе решения ЭВМ выдает следующие величины:
- ординаты серпа по нижией шкаторине паруса;
- положение швов;
- величину и длину закладок;
- величину серпа по передней шкаторине;
- серп по задней шкаторине.
При этом предполагается, что для получения более плавной формы закладки делаются на каждом шве. Предполагается также, что серп по передней шкаторине возникает в результате отличия профиля паруса, стоящего на прямой и изогнутой мачте или штаге. За счет прогиба штага стаксель на ходу всегда будет полнее, чем при прямом штаге, и это надо учесть, выбирая серп. Серп по задней шкаторине в случае грота определяется из условий соответствия паруса контрольным размерам. В правилах классов обычно оговаривают ширину грота на 1/2 и 3/4 длины шкаторин. Эти величины также вводятся в программу при расчете гротов. Для IOR это соответственно MGU и MGM Для стакселей серп по задней шкаторине строится исходя из правил IOR, где говорится, что: «любой размер между соответствующими точками на передней и задней шкаторинах не должен быть больше части нижней шкаторины, пропорциональной удалению указанных точек от фалового угла». Для других яхт величина серпа чаше всего принимается равной 1,5%.
При раскрое спинакеров предполагается, что парус является частью сложной трехмерной поверхности, образованной трехосным эллипсоидом и параболоидом. Схема раскроя заключается в следующем. Верхняя часть паруса кроится из одинаковых полотнищ, идущих от фалового угла, а нижняя — из поперечно расположенных полотнищ (рис. 4). В качестве исходных данных используются параметры обмера по IOR:
- высота (I) и основание (J) переднего треугольника;
- SMW — ширина спинакера;
- SL — длина боковых шкаторин;
- Н — положение верхнего поперечного полотнища;
- F2 — пузо на высоте Н;
- F1 — пузо на уровне нижней шкаторины;
- S — ширина полотнища;
- WS — ширина шва:
- SMG — средняя ширина спинакера.
При раскрое спинакера на каждом шаге проверяются соответствие поперечного размера спинакера правилам IOR: 0,75 SMW
В результате расчета ЭВМ выдает следующие данные:
- основные размеры и характеристики паруса;
- ординаты выкройки верхнего полотнища;
- число верхних полотнищ;
- профилировку всех нижних поперечных полотнищ (ординаты закладок).
Предлагаемая математическая модель позволяет в широких пределах варьировать параметры паруса, кроить паруса для разных курсов и погодных условий, «уплощать», при необходимости, верхнюю или нижнюю часть паруса. При этом «уши» — серпы по боковым шкаторинам — получаются автоматически.
Интересно отметить, что чертеж спинакера, выполненный по этой программе, почти полностью совпал с имеющимся на Таллинской верфи раскроем «фирменного» спинакера для «Картера-30».
Сшитые для яхт-моделей спинакеры оказались весьма удачными и позволили спортсменам выиграть первенство Союза и занять 2-е место на чемпионате Европы. По предлагаемым методикам рассчитано и сшито более 40 парусов для яхт разных классов, в частности комплект парусов — 5 стакселей и грот для яхты «Укор» (типа «Конрад-24»), принадлежащей ЛКИ. С этими парусами яхта занимала призовые места и побеждала на Кубке Онежского озера в 1977—1980 гг Форма парусов, сшитых по «машинным» чертежам, получается гладкой, без фалд и перетяжек. Величина максимального пуза близка к заданной (в пределах точности измерений). Максимум пуза находится там, где ему положе но быть, а не на штаге и не у задней шкаторины, как предсказывали скептики. Сейчас заканчивается работа по учету влияния деформации паруса на его аэродинамику и раскрой.
Такие же работы ведутся в студенческом КБ Николаевского кораблестроительного института инженером Шелудяковым. Там сделана попытка решить задачу чисто аналитическим методом. К сожалению, математические трудности, с которыми столкнулся автор, ограничивают возможности практического использования метода. Несмотря на это, в НКИ также создан пакет про грамм раскроя парусов.
Изложенный в этой статье метод раскроя был заслушан в 1983 г. на заседании спортивно-технической комиссии ФПС СССР, которая, в частности, отметила, что: «Предложенный метод дает возможность упростить раскрой различных парусов по заказам массового потребителя и позволяет получить паруса хорошего качества независимо от квалификации мастеров».
В заключение хочется еще раз обратить внимание читателей на то, что данная программа никоим образом не гарантирует пошив идеального паруса. Все зависит от исходной информации, вложенной в нее. А эту информацию можно получить только после подробного аэродинамического расчета паруса.