Рассуждения о возможности движения под парусом скорости 60 узлов

Тридцать лет назад на страницах "КиЯ" (вып. №14) можно было прочитать статью "40 узлов под парусами". В 1996 г. материал на ту же тему назывался уже "Штурм 50-узлового барьера" (№159). Теперь предлагаем читателям подкрепленные расчетами и экспериментами рассуждения о возможности достижения под парусом скорости 60 узлов, а "не касаясь воды" — более 100! Это серьезное обоснование прорыва к новым рекордам, а затем и к повышению скоростей коммерческого парусного флота.

Подготовил статью наш постоянный автор (его материалы появлялись в "КиЯ" восемь раз) Юрий Васильевич Макаров. О нем можно рассказывать долго. Он — научный сотрудник МАИ, известный конструктор-изобретатель, которому принадлежат свыше 200 изобретений и более 150 научных работ, включая вышедший в 1994 г. обобщающий труд "Летательные аппараты МАИ". Если несколько предыдущих публикаций Ю. Макарова в "КиЯ" касались в основном вопросов аэродинамической разгрузки и "подъема в воздух" моторных лодок, то теперь речь идет о "летающих" парусниках. (На очереди — статья о "летающих" автомобилях).

Сразу же скажем, что привлекательная идея совместить достижения планеростроителей и яхтенных конструкторов найдет, разумеется, не только сторонников, но и оппонентов. Как отмечали специалисты, сталкивавшиеся с внедрением жестких управляемых парусов на морском транспорте, конструктивные сложности до сих пор чаще всего сводили к нулю обещанные изобретателями эксплуатационные преимущества. Для сомнений достаточно представить себе усилия, которые должен воспринимать узел шарнира крепления "качающегося" планера к поперечной балке глиссирующего катамарана (рис. на стр. 44) и, тем более, к поперечным погонам на палубе большого судна! Однако ведь и идея виндсерфера еще совсем недавно казалась утопической, а рекордные аппараты, на которых сегодня штурмуют 50-узловый барьер, считались неосуществимой фантазией конструкторов, далеких от практики... И не будем забывать: статья, которую мы представляем сегодня, подготовлена в МАИ, который славен не только многими новаторскими идеями, но и их осуществлением! К слову сказать, в стенах этого института разрабатывались и строились многие первоклассные скутера, СВП, СПК и даже гоночные лодочные моторы ...

---

Абсолютный мировой рекорд скорости на воде для парусного судна — это 46.52 узла (86.16 км/ч), причем скорость рекордсмена — трехточечного аппарата "Еллоу Пэйджес Эндевур" 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 "ЕПЭ" 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.

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 полета дельтаплана 36 км/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 — V-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. В этом случае экраноплан совершает планирующий полет над 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 "ЕЛЭ". 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.

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 V-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 на универсальном (карданном) шарнире установлен двухместный 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 — откренивающим (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 L-13 "Blanik" (с аэродинамическим качеством 28), имеет следующие технические данные. Максимальный вес с двумя яхтсменами на борту — 550 кг. Площадь вертикального крыла-паруса — 10 м² (общая площадь крыльев — 20 м²). 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:


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 — V_в. В этом случае скорость горизонтального полета — V_г определяется так:


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:


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: К_х = 8, где К_х — ходовое качество яхты. Поэтому максимальная и абсолютно реальная скорость движения яхты при ветре 5 м/с будет равна:


т.е. превышает скорость ветра в восемь раз (еще раз напомним: у "ЕПЭ" — едва 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 К_х — ходовое качество буера, равное всего 16. Ну а существующий скоростной рекорд парусной яхты будет побит при том же ветре даже при К_х = 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 экраноплан, 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.

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 экраноплана 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!

В МАИ 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 170 тыс. 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.

Примечания

1. Заметим, что рисунок такого судна с тремя планерами в качестве парусов был помещен в книге Ю. С. Крючкова и И. Е. Перестюка "Крылья океана", вышедшей еще 15 лет назад.