FREE WIND FW

+7 963 773-64-27

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Новости о подвесном парусе

Эффективность парусного вооружения. Часть вторая.

Поговорим о том, почему у классического паруса очень низкое аэродинамическое качество. Кстати, закономерный вопрос, а почему я решил, что качество низкое? Вернемся к примеру с тележкой на рельсовом пути. Если ветер дует по диагонали, сбоку спереди, то тележка, в общем случае, может ехать вперед. Зависит от угла между ветром и релсовым путем. Угол, где наступает безразличное равновесие задается формулой: тангенс угла = 1/К.

Вот так выглядит полярная диаграмма катамарана PDQ32 http://www.multihull-maven.com/Boats/PDQ_32_Altair_Classic



from http://sail-delmarva.blogspot.com.au/2010/06/speed-polars.html

Круче 30 градусов к ветру PDQ32 идти не может. Значит, общее аэро / гидродинамическое качество данной конструкции ~ 2. Какие бы неудачные рули / шверты на этот катамаран ни ставили, чтобы получить на низких скоростях (где лобовое сопротивление корпуса в водоизмещающем режиме мало) столь низкое качество, без "заслуг" паруса не обойтись.
Мягкий парус имеет тенденцию скручиваться по высоте. Как его ни натягивай, такое неизбежно происходит в силу геометрии конструкции. Называется "твист" паруса. В яхтенных руководствах отмечается, что твист полезен, так как на разной высоте разная скорость ветра. Нужно только правильно этот твист отрегулировать.

Экспериментальные данные по силе ветра в диапазоне 2м ... 11м над поверхностью воды для случая умеренного ветра (около 10 м/с) http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/734670.pdf .

Вывод. Для катамарана, движущегося с разумной скоростью (приблизительно со скоростью, равной по модулю скорости ветра), оптимальный твист потребуется всего в 3 градуса.
Выводы:
1) Мягкие паруса чудовищно перекручиваются.
2) Надо ставить жесткий / полужесткий парус крыло без каких-либо регулировок по твисту. В случае полужестких парусов, у которых, благодаря "объемной" передней кромке ОЧЕНЬ плавное изменение всех характеристик по углу атаки, точность 3 гадуса ни на что ни влияет.

Занятный аэродинамический факт. Если жесткий парус может свободно вращаться и становиться во флюгерный режим, то его лобовое сопротивление существенно меньше, чем сопротивление голой мачты "классического" паруса. Другими словами. Если катамаран с жестким парусом попал в ураган, не нужно заморачиваться с вопросом, как этот жесткий парус спустить и идти дальше под голым рангоутом или маленьким штормовым парусом. Никакого вреда от огромного жесткого паруса не будет, пусть на месте остается.

Профиль NACA 4421 http://www.worldofkrauss.com/foils/1693
выбран для иллюстрации из-за своей большой толщины (21%)


Маленький кружок, это - я пририсовал сечение цилиндра (диаметром 0,025), имеющего ТАКОЕ ЖЕ лобовое сопротивление, как профиль крыла на картинке.

Еще занятный аэродинамический факт.
На наибольших углах атаки, а именно они и типичны для работы паруса скоростного катамарана, симметричный аэродинамический профиль ничем не отличается от асимметричного. Но, если хочется, все-таки, на полужестком парусе регулировать его кривизну, то это можно сделать невероятно простым способом. Соответствующую картинку я лучше запихну в отдельный post. Та хитрая механика, которую предложил Omer в своем "Omerwingsail", она совершенно избыточна.

Устойчивость на курсе.
Есть общий принцип. Устойчивая штуковина, это - когда центр тяжести расположен перед боковым фокусом давления. Сделать наоборот, это - неизбежно некие проблемы вылезут. Крайне сложно заставить стрелу лететь оперением вперед.

В случае маленького катамарана вес экипажа ~ весу остальной конструкции. Сажаем экипаж почти посередине катамарана, с небольшим сдвигом в корму (чтобы скомпенсировать привычку катамаранов переворачиваться через нос). Гидродинамический центр всех килей/швертов должен быть сдвинут в корму от экипажа. Центр парусности расположен приблизительно над гидродинамическим центром. Получаем, что экипаж сидит ПЕРЕД мачтой. У нас все уехало назад, и мы не можем расположить руль за швертом - слишком маленькое плечо. ОК. Убираем шверт до упора в корму, а небольшой руль переносим на нос поплавка катамарана. В аэродинамике эта схема называется уткой. Поворотной должна быть именно передняя часть, потому как перед нами задача: уменьшить угол атаки самих поплавков. В идеале, поплавки, вообще, не должны создавать боковых усилий: у поплавков слишком высокое индуктивно сопротивление (aka низкое гидродинамическое качество).

А теперь рисуем пару вариантов катамаранов, удовлетворяющих этим теоретическим требованиям.

Проект 1.






Варианты парусов под аэродинамическое управление углом атаки.






Проект 2.

На палубе катамарана круговой рельс (как погон у артиллерийских башен), на нем вращается тренога: мачта + 2 стойки. Стйки по высоте доходят ~ до середины мачты. Парус крепится передней кромкой к мачте и, в свою очередь, может вращаться вокруг мачты.
Конструкимвно надо добиться того, чтобы на "основных" режимах работы паруса, парус прижимался всей нижней кромкой к палубе. Для того, чтобы исключить перетекание воздуха вокруг нижней кромки. Грубо говоря, это приблизительно в 2 раза увеличит эффективное удлинение паруса.








Впрочем, я обнаружил некий необычный результат. У меня, из теоретических рассуждений, вылезло, что самое место мачте и парусу - на корме. Оказывается, такое расположение паруса уже попробовали на практике. Продаются наборы для монтажа паруса на транец мотолодок, вместо подвесного мотора.

Автор: Николай Синев (публикуется с разрешения автора)

 

Эффективность парусного вооружения. Часть первая.

Я не проектировщик яхт, все высказанные мной тезисы могут быть полностью ошибочными. Данная заметка - не проповедь, а приглашение к обсуждению.

Структура заметки будет следующей.
Сперва я порассуждаю о том, что я считаю грубейшими промахами яхтенных дизайнеров, потом предложу способ все эти промахи исправить (2 схемы катамаранов: попроще и посложнее).

В аэродинамике есть такой термин - аэродинамическое качество K = подъемная сила / лобовое сопротивление.
У современных планеров K~40, у типичного реактивного пассажирского самолета K~20 (это именно не крыла, а всего самолета, с торчащими в поток заглушенными двигателями, сопротивлением фюзеляжа, хвостого оперения, неидеальностью поверхности, всеми заклепками etc).

Коэффициент К можно представить себе так.
Пусть у нас есть прямой рельсовый путь. Пусть по нему может без трения ездить тележка. Закрепим на ней объект с аэродинамическим качеством К. Подуем приблизительно поперек этого рельсового пути ветром со скоростью V_ветра.
Тогда, для больших величин К (когда угол 1/K ~ sin(1/K) ~ tg(1/K)) будет выполнено V_тележки ~= K*V_ветра.
См. картинку в http://biglebowsky.livejournal.com/74372.html

Собственно говоря, планер именно такими вещами и занимается. Планер временами встречает восхдящие потоки (направленные поперек его направления полета). Вертикальная скорость этих потоков не особо велика - типичная величина 2...3 м/с (http://www.deltaplanerizm.ru/read/ordodi/71.html) Но этого вполне хватает, чтобы планер летел вперед со скоростью ~ 150 км/ч.

Атмосфера устроена так, что горизонтальные скорости ветра существено больше, чем вертикальные.
Считаем, что типичный ветер у поверхности земли 10м/с. Ставим на нашу тележку парус. Черт с ним, с К=40, будем считать, что качество у нашей конструкции равно 20. Тележка должна поехать со скоростью 200 м/с = 720 км/ч.

Теперь рассмотрим яхту.

Для начала, предположим, что яхта ничего не весит. Парус и корпус воздухе, в воде только киль и руль. То, что в воде, это, в общем-то, тоже крылья. Причем - весьма эффективные. Дело в том, что при расчете крыла используется такая штука, как кинематическая вязкость = динамический коэффициент вязкости / плотность. Так вот, кинематическая вязкость воды приблизительно на порядок меньше, чем воздуха.

Кинематическая вязкость при 20C:
вода 1,004 * 10-6 м2/с (http://www.o8ode.ru/article/answer/pnanetwater/vyazkost.htm)
воздух 1,51 * 10-5 м2/с (http://www.highexpert.ru/index.php?go=Content&id=17)

То есть, если мы опустим в воду то крыло, которое ранее работало в воздухе, уменьшив его площадь в 800 раз (чтобы оно создавало ту же самую подъемную силу при той же скорости), то сопротивление крыла упадет: вязкие силы уменьшатся. Иными словами, от киля с рулем, на первый взгляд, можно было бы ожидать гидродинамического качества K_hydro ~ 40, а если чего еще лишнее в воде обмокнуто, наподобие части корпуса, то К_hydro~20.

Однако, возникают разные мелкие гадости наподобие волнообразования, и, если верить работам на тему подводных крыльев, для разумных удлиннений киля и руля (около 6) следует все-таки брать К_hydro ~ 10...15 http://www.tspeer.com/Hydrofoils/generic.pdf, а о корпусе, вообще, говорить отдельно.

Кстати, у теплохода на подводных крыльях "Комета", из-за ряда технических сложностей (необходимый для высокой скорости суперкавитирующий профиль крыла + очень малое заглубление крыла) в итоге, с учетом сопротивления остальных частей теплохода, включая воздушное сопротивление надстроек, получилось K=10. (http://library.fentu.ru/book/ksi/405/92_____.html)

Мы можем ввести такую штуковину, как некое общее аэродинамическое качество яхты по формуле 1/К_яхты = 1/К_aero + 1/K_hydro. Можно показать, что для больших величин К_яхты ( угол 1/К_яхты ~= ~ sin(1/К_яхты) ~ tg(1/К_яхты)) будет выполнено V_яхты ~= K_яхты * V_ветра. См. картинку в http://biglebowsky.livejournal.com/74372.html

В этом приближении (K_aero=20, К_hydro=10), при боковом ветре 10м/с наша яхта будет разгоняться до скорости 240 км/ч. Ну где же подвох?!! Мы же знаем, что парусные яхты не могут плавать так быстро. Сейчас к этому перейдем.

Итак, попробуем включить в модельку вес яхты.
Я, все-таки, пишу не научную статью, а заметку в LJ. Потому, пойдем самым простым с точки зрения арифметики путем: вывесим яхту на подводные крылья. Это будут формулы той же самой структуры, то есть, грубо говоря, мы гробим коэффициент K_hydro.

Вот теперь самое интересное.
Возьмем катамаран классической компоновки, например "Торнадо". Высота мачты 7.5м,центр парусности считаем для упрощения посередине высоты, ширина катамарана 2,5м, вес экипажа = весу катамарана, экипаж сидит на поплавке, откренивая катамаран.

Обозначим
P = вес экипажа + вес катамарана
F = боковая сила на парус.
Катамаран балансирует на одном поплавке.
2.5*P/2+2.5/2*P/2=7.5/2*F
P=2F

Если мы сделали одно подводное крыло, которое тянет строго вбок, чтобы компенсировать силу F, то нам понадобятся еще 2 таких же, которые будут тянуть строго вверх, чтобы компенсировать силу P. В такой конструкции мы будем иметь утроенное сопротивление подводных крыльев, и в формулу выведенную для "вида сверху" мы должны будем подставить " К_hydro_weight=1/3*К_hydro". Что-то можно будет выиграть, заменив конструкцию подводных крыльев вида "катет=1 + катет=2" на "гипотенуза=2,2", но могут возникнуть проблемы с балансировкой и устойчивостью. Катамараны на подводных крыльях массово делают, но то, что я видел, все-таки, имело крылья/рули в 2 плоскостях.

Вывод. Если мы поставим катамаран классической компоновки на подводные крылья, то в самом идеальном случае (все работает на оптимальных углах, нет расходов на балансировку, катамаран вышел на предельный режим по опрокидыванию), мы получим K_hydro~3.3 Это уже "маловато будет". Можно переформулировать и по-другому. Мы можем приделать к классическому катамарану подводные крылья, и он будет благополучно вставать на них. При достаточной площади подводных крыльев катамаран может подняться на них хоть начиная со скорости пешехода. Но это будет красивое зрелище и не более того: крылья не помогут катамарану разогнаться.

Кстати, катамаран из нашей модельки не спасет и выход на глиссирование. Дело в том, что гидродинамическое качество глиссирующей конструкции оценивается как 8, что ниже десятки, заложенной в предыдущую оценку.(http://inter-marine.ru/part23.html)
Повторюсь. Глиссирование - будет, фонтан брызг - будет, зрелищность - будет, а вот скорость - увы, нет.

На то есть философская причина. Мы пошли по слишком сложному пути: парус преобразует ветер в тягу вперед, а эта тяга преобразуется в подъемную силу. Необходимо, чтобы сам парус создавал компоненту силы, направленную вверх, как это делают серфингисты, наклоняя парус на себя. Но об поговорим подробнее во второй части.

Перейдем к парусному вооружению.
Современный "классический" парус тщательно рассчитывается на компьютере, в гоночных парусах уже дошли до применения кевлара, мачты начали делать углепластиковыми, на гоночных яхтах дошли до использования титановой проволоки для вант. Результат всех жтих героических усилий - парус гоночной яхты начал подбираться к аэродинамическому качеству ~ 4. Где-то читал заметку (сейчас не могу найти ссылку), что кто-то сумел изготовить парус с К=5. Те самодельные планера, которые сотню лет назад летали в Коктебеле, были изготовлены из сосновых реечек, дерюжки и имели K~15.

from http://stanschreyer.com/?cat=6
Tybee 500 (вариация на тему "Торнадо")
Площадь парусов 16+5+26 м2
вес катамарана 155 кг

Данных по скорости не нашел, но похожая штуковина, оборудованная подводными крыльями, установила рекорд скорости в 26,5 узлов http://www.windseekers.ru/history/rec84.htm
[Update: "Торнадо - 21,2 узла" http://rus-28.livejournal.com/41920.html]

А это - Sailrocket
http://www.sailrocket.com/



weight 275 kg
length = widh = 12.2m
total wing area 22m2
projected wing area 18m2

Скорость ~ 54 узла (100 км/ч) при скорости ветра около 30 узлов http://www.vestas.com/en/media/news/news-display.aspx?action=3&NewsID=2866

Продолжение следует.

Автор: Николай Синев (публикуется с разрешения автора)

 

Что пишут о парусном вооружении VC-1

Альтернативное парусное вооружение для любой лодки имеющей транец под мотор – подвесной парус Катайнена.

Вспоминая годы молодые и те незабываемые впечатления которые испытываешь идя под парусом, подтолкнули меня к покупки такой прикольной штуки, как подвесной парус Катайнена, ну разумеется в его российском исполнении. В интернете в принципе полно его чертежей и схем и я уже почти решил самостоятельно заняться изготовлением паруса на основе подвески от старого подвесного лодочного мотора “Ветерок”, но потом решил не жаться и поддержав нашего российского производителя приобрести готовое изделие… Почему-то я проникся доверием к парням из “Вольного ветра-ВВ” и думаю не ошибся.

Списавшись парой емайлов о качестве продукта и условиях поставки, перевёл им денежку и уже через неделю близлежащей ко мне транспортной компанией получил посылку. Весь процесс со стороны продавца сопровождался смс-сообщениями.

На перрон выдачи товаров мне был выставлен весьма внушительный ящик из мощных досок, думаю спасший бы вложенный в него ценный груз даже при стихийном бедствии. Начинка представляла из себя 2 мешка из симпатичной зелёной плащёвки, в которых всё устройство паруса и находилось. До дачи из машины я донёс их вообще без напряга – не тяжёлые вообщем. Размер можно прикинуть по отпечатку ноги на снегу на фото.


На следующий день, заскочив на дачу, куда был свезён парусный груз, осмотрел содержимое. Всё сделано с виду очень качественно и эстетично. Те же струбцины крепления по сравнению с подвеской лодочного мотора смотрятся гораздо надёжней, покраска качественная… Трубы для сборной мачты, сам парус – всё сделано аккуратно и с виду надёжно…



Жаль что на улице разгар зимы и трескучие крещенские морозы, а то так и хочется “поднять паруса”.



Собирать пока парус не стал – просто времени было впритык, это думаю тема для следующей статьи. А так сервисом и качеством товара я остался доволен – посмотрим как оно в деле…

_____

* для справки.

Подвесной парус – вспомогательное парусное вооружениеУстанавливается на транце на месте подвесного мотора. Разработан финским конструктором Антеро Катайненом.

До этой модели Парус Катайнена уже выпускался в СССР, представляя из себя шпринтовое парусное вооружение, использующее парус от швертбота «Оптимист» площадью 3,5 m². Рангоут из алюминиевых труб закреплен на струбцине для установки на транец. К нижней части струбцины крепится руль, одновременно выполняющий роль киля.

Для уменьшения опасности опрокидывания лодки, снабжен резиновым амортизаторным шнуром, натянутым вдоль гика, который смягчает рывки паруса при поворотах через фордевинд и порывах ветра. Кроме того, предусмотрен способ быстрого уменьшения парусности путем сбрасывания шпринтова c оттяжки. Центровка парусного вооружения производится регулировкой наклона мачты.

Конструкция имеет малый вес, легко устанавливается на любую гребную лодку, имеющую транец. Поскольку все вооружение вынесено из корпуса назад за транец, подвесной парус не занимает места в лодке.

Алексий, http://ruskemping.ru/

 


Страница 4 из 8

Видеогалерея

Испытания подвесного паруса

Пироговское водохранилище,

р.Волга,2011 г.