Трехмерный киль инженера Лукаса

"КиЯ" уже неоднократно касались темы современных яхтенных килей и путей их дальнейшего развития. Очевидно, что этот элемент гидродинамического комплекса современной яхты, от которого в значительной степени зависят ходовые и лавировочные качества судна, еще далек от окончательного совершенства. Тем интереснее было узнать о созданной французским конструктором Франсуа Лукасом необычной конструкции яхтенного плавника, названной им "трехмерный киль" или попросту "3D-киль". Как пояснил нам сам изобретатель, это название почти точно, с его точки зрения, отражает суть конструкции: как же еще можно назвать киль, способный не только качаться с борта на борт, но и отклоняться вперед-назад, а также вдобавок менять угол атаки, находясь в любом из своих возможных положений? Киль Ф.Лукаса действительно перемещается в грех измерениях, имея при этом и три степени свободы.

Поскольку, как выяснилось, эта идея (защищенная, кстати, французским патентом № FR 9913957) оказалась воплощена, что называется, "в железе", а сама конструкция прошла успешное испытание океанскими гонками, мы с полным основанием можем представить ее на суд наших читателей как образец одного из весьма вероятных путей развития яхтенных килей.

Итак, рассмотрим конструкцию 3D-киля подробнее. Как явствует из вышесказанного, он должен иметь определенную точку (или точки) качания, находящуюся внутри судна. Несмотря на кажущуюся сложность инженерного решения этой задачи, Ф.Лукас реализовал ее сравнительно просто. Проходящая внутрь корпуса часть киля имеет мощный шарообразный прилив, фактически представляющий собой внутреннюю (подвижную) часть шарнира достаточно большого (300 мм) диаметра. Неподвижная часть шарнира в виде сферы находится внутри корпуса яхты. Именно этот сферический элемент и позволяет килю совершать все необходимые эволюции в любой плоскости. Для предотвращения водотечности верхняя (открытая) часть сферического шарнира закрыта эластичной водонепроницаемой мембраной, не ограничивающей подвижность плавника. Соосно с шарниром в поперечной плоскости яхты находится ось качающейся дуги, представляющей собой важнейший элемент управления и контроля за положением подвижного плавника, верхняя часть которого (выше шарового шарнира) скользит по прорези в упомянутой дуге.


Благодаря этому плавник яхты приобретает сразу две степени свободы: перемещение верхней части плавника по ободу дуги позволяет наклонять его на борт, а возможность наклона дуги вперед-назад не препятствует отклонению киля в продольном направлении (при любом угле поперечного наклона). Для управления килем предусмотрены следующие механизмы: для продольного перемещения — гидроцилиндр с ручным приводом (шток цилиндра при этом упирается в шарнир на самом киле), а для отклонения в поперечном направлении — проведенная по ободу дуги система талей с небольшой лебедкой (внешне это очень похоже на управление ползуном гика-шкота на крупных яхтах). Рукоятка гидропривода закреплена по левому борту яхты рядом с шарниром, а небольшая лебедка — па самой дуге по правому борту. Важно (подробнее об этом будет сказано чуть ниже), что шарнир гидроцилиндра на киле крепится на вертикальной линии, проходящей через точку поворота киля, а отнюдь не на его передней кромке.

Для придания килю третьей степени свободы — возможности изменять угол атаки — предусмотрена конструкция, чем-то напоминающая систему контроля за поворотом крылатой мачты на современных многокорпусниках. К верхней части плавника (выше шарнира гидроцилиндра, но ниже поворотной арки) присоединен мощный А-образный рычаг, подвижная часть которого перемещается под воздействием системы талей.

Таким образом, в любой момент киль может быть довольно легко перемещен в любое заданное положение. Однако описанная нами схема — только часть кинематического механизма "трехмерного киля". В самом деле, его конструктору предстояло еще позаботиться о том, чтобы при любом отклонении киля в продольном (по АП яхты) направлении закрепленный на его конце балластный 750-килограммовый бульб сохранял бы ориентацию по потоку, не нарушая плавность своего обтекания и не ухудшая таким образом гидродинамических качеств судна.


Решение, найденное Лукасом, было элегантным и простым — обычный параллелограммный механизм. Внутри пустотелого плавника вдоль его передней кромки проходит вертикальный шток, шарнирно соединенный с бульбом. Верхняя часть этого штока тоже шарнирно соединена со штоком того самого гидроцилиндра, который управляет поворотом киля в продольном направлении. Вторая точка шарнирного крепления бульба к плавнику находится на вертикальной линии, проходящей через ось качания киля.

В результате получился параллелограммный механизм, две точки шарнирного соединения в котором расположены на вертикальной оси плавника и еще две — на обоих концах штока, проходящего внутри плавника. При наклоне киля в продольном направлении бульб сохраняет свою ориентацию по потоку за счет того, что линия, соединяющая обе верхние точки (в данном случае роль этой линии исполняет сам шток гидроцилиндра), практически не меняет своего наклона. Согласно кинематике параллелограмма, нижняя линия (в данном случае — продольная ось бульба) тоже сохраняет горизонтальное положение, и, как следствие, бульб по-прежнему остается правильно сориентированным.

Описанный нами киль был установлен на яхте класса "Mini 6.50", участвовавшей в гонке "Mini-Transat 2001". Лодка "Eoton" (№ 231) дважды пересекла Атлантику, пройдя в общей сложности более 6000 миль и заняв на одном из этапов гонки девятое место. Единственной проблемой, с которой столкнулся капитан яхты (сам Франсуа Лукас), оказалось частое перетирание водонепроницаемой мембраны. Других поломок не было, и неудивительно — силовая структура плавника и подвижного штока, контролирующего положение бульба, выполнены из особо прочной высокомодульной стали (применяемой, кстати, для изготовления ковшей тяжелых карьерных экскаваторов), все подвижные элементы конструкции (кроме дуги) — из обычной нержавеющей стали, сфера шарнира и подвижная дуга — из углепластика. Сам плавник выполнен из пенопласта, оклеенного обычной стеклотканью — конструктор сильно сожалел о том, что не располагал достаточными средствами для изготовления его из углепластика.

Узнав о том, что Ф.Лукас в настоящий момент занят модернизацией своего киля, мы (как это стало в последнее время уже традицией) обратились к конструктору за интервью, выдержки из которого и предлагаем читателям.

— Скажите, как вам вообще пришла в голову идея подобного киля?


— Это довольно давняя история. В 1998 г. мы с Дэвидом Райсоном спроектировали "Mini 6.50" весьма радикального по тем временам дизайна — нарисовали корпус максимальной шириной 3.40 м, после чего просто обрезали его до разрешенных правилами 3 м. При угле крена в 20° ватерлиния у этого корпуса получалась довольно узкая и практически симметричная, однако с заметным углом по отношению к ДП. Вот я и решил создать киль с изменяемым углом атаки, чтобы уменьшить сопротивление и дрейф.

Идея регулировать наклон не только в поперечном, но и в продольном направлении пришла чуть позже — уже на стадии первых набросков конструкции. Кстати, Дэвид решил не рисковать и обойтись на своей лодке только 20-килем — с наклоном на борт и регулировкой угла атаки. Однако это ему не помогло — он просто потерял этот киль в Бискайском заливе. Возможно, вам будет любопытно узнать, что без киля и под аварийным вооружением (мачту он сбросил, чтобы сохранить остойчивость) его яхта развивала свыше 10 уз! Мы и в самом деле нарисовали неплохую лодочку!

— А в чем причины потери киля? Они были как-то связаны с его конструкцией?

— Нет, конструкция самого киля осталась неповрежденной. Причина, по всей видимости, — в качестве монтажа киля в корпус. На своей яхте "Eoton" ни я, ни ее новый хозяин не сталкивались с какими-либо проблемами — киль изготовлен из очень прочных материалов с большим запасом надежности. Насколько мне известно, нынешний владелец моей яхты, готовясь участвовать в "Mini-Transat 2005", переоснащает ее углепластиковой мачтой, но киль оставляет без изменения. Вот только мембрана гам постоянно рвется и ее приходится часто менять.

— Франсуа, скажите, в чем заключаются преимущества вашего киля? Вы можете привести какие-то цифры, подтверждающие его эффективность?


— Да, конечно же! Вот, к примеру, выдержки из моих записей периода испытаний: ветер силой 3-4 балла, яхта идет в галфвинд пол гротом и геннакером с полностью отклоненным на борт килем. Угол продольного отклонения — 0°, угол атаки — 0°. Скорость 7—7.2 уз, т.е. в точности как у аналогичных по пропорциям "Mini". Дальше в тех же условиях: угол продольного отклонения киля 12° (в корму), угол атаки по-прежнему 0°. Скорость 7.4— 7.6 уз. Сразу выиграли пол-узла за счет смещения ЦТ (и отчасти ЦБС) назад. Следующая запись: угол продольного отклонения — 12°, угол атаки — 8°. Скорость 8-8.5 уз. Выиграли еще пол-узла! Причем в данном случае (с полностью отклоненным на борт килем) увеличение угла атаки дает эффект подводного крыла — угол перекладки моего киля на борт 30°, что в сочетании с креном яхты дает абсолютный угол его горизонтального отклонения до 55-60°. Этому способствует и высокоэффективный профиль плавника — NACA 63.

Так что, как видите, эффект есть, и он явно оправдывает присутствие лишних 35 кг дополнительных узлов и механизмов на борту.

— Над чем в настоящий момент вы работаете, если это не секрет?

— Я проектирую новую "Mini 6.50" для участия в гонках сезона 2005 г. или, возможно, 2007 г. Лодка будет иметь вращающуюся углепластиковую мачту, оригинальные тщательно проработанные обводы и новый вариант 3D-киля. Как показала практика, нет смысла давать килю возможность большого угла поворота вперед. Киль новой яхты будет отклоняться от вертикальной плоскости только назад. Диаметр шарнирной сферы увеличится до 400 мм, а нижняя часть ее будет находиться под корпусом. Таким способом я вообще избавлюсь от необходимости ставить мембрану и от постоянных забот о ее целостности. Это дополнительно даст возможность увеличить угол поперечного наклона плавника. Кроме того, скорее всего, исчезнет и поворотная дуга — ее заменит система талей, выведенная в кокпит.

— Планируется ли установка киля подобной конструкции на какую-либо более крупную яхту?


— Я рассчитывал на установку таких килей на яхты класса "Open 40". К сожалению, недавно утвержденные правила этого класса вообще запрещают подвижные кили. Так что, увы... Что касается "Open 60", то там, к сожалению, такие кили запретили еще два года назад. Пока "Mini 6.50" остаются единственным массовым гоночным классом, позволяющим применять такие кили. Но я не теряю надежды на будущее.

— Что ж, Франсуа, позвольте пожелать вам удачи в "Mini-Transat 2005"!

— Спасибо! Передайте мой привет читателям вашего журнала.