Кто будет первым?

Заезды на побитие рекордов скорости под парусами или спидсэйлинг , как называют на Западе эту разновидность парусного спорта, получили в последние 15 лет быстрое развитие. Абсолютный рекорд скорости сейчас составляет 42,9 узла или 79,5 км/ч. Если спидсэйлинг будет развиваться такими же темпами и дальше, то в течение четырех лет парусники смогут преодолеть границу скорости 100 км/ч.

Одна из причин сравнительно частого обновления рекордов - это молодость нового вида спорта. Спидсэйлинг начался практически с нуля, и до сих пор технические возможности повышения скоростей под парусами далеко не использованы. Большинство же других видов спорта прошли длительный путь развития, и требуется много усилий, чтобы приблизиться к рекордному результату. Если в спидсэйлинге удается поднять рекорд на 10 градусов, то в других видах спорта спортсмены бывают удовлетворены, если за счет отличной настройки техники им удается превысить предыдущее достижение на десятые доли процента.

В 1972 г., когда состоялись первые соревнования на установление мировых рекордов скорости под парусами в Уэймуте (Англия), их правила не ограничивали конструкцию либо размерения участвующих судов. Все суда-соперники должны были приводиться в движение только ветром и делились на 5 классов в соответствии с площадью парусности. Скорость определялась по времени прохождения 500-метровой дистанции. Динамичную карьеру в спидсэйлинге совершила парусная доска. Когда спортсмен на доске впервые появился на соревнованиях в Уэймуте, никто не принял его всерьез. Но в 1977 г. на доске был установлен мировой рекорд в самом младшем классе парусников (площадь паруса 8 м 2), составивший 19 узлов. Потребовалось всего 9 лет, чтобы удвоить этот результат и поставить на доске абсолютный рекорд мира. Чтобы достичь этого впечатляющего повышения скорости, Рекорды скорости не понадобилось каких-либо кардинальных улучшений конструкции парусной доски. Доски для рекордных заездов стали меньше по размерам и легче. Несколько коротких лат, которые поддерживали серп по задней шкаторине, заменили на шесть сквозных лат, придавших парусу жесткость и профиль авиационного крыла.

Почему досочники оказались самыми быстрыми в мире яхтсменами? Рекордсмен, англичанин Эрик Бил, ответил на этот вопрос так: "Яхтсмен имеет прямой и непосредственный контроль за парусом, доской и плавником. При усилении скорости ветра он естественным образом регулирует своими руками установку паруса, чтобы добиться максимальной скорости при этом новом ветре. Он перемещает свою массу назад, чтобы придать доске оптимальный угол атаки при глиссировании на новой скорости. И если яхтсмен чувствует, что давление воды на шверт ослабло, что может свидетельствовать о заходе ветра либо незаметном к нему приведении, он немного уваливает доску, чтобы сохранить тягу паруса..."

Другой фактор, способствующий достижению высоких скоростей парусных досок,- ее адаптация к плаванию в очень сильные (свыше 20 м/с) ветры. Именно штормовых ветров ждут досочники во время соревнований по спидсэйлиигу, в то время как для выступающих на судах других конструкций существует предел скорости ветра. Есть и резерв повышения скорости парусной доски: профиль паруса еще далек от того, каким он должен быть на максимальной скорости. Кроме того, он изменяется с увеличением нагрузки. В идеальном случае парус должен иметь профиль авиационного крыла и держать эту форму независимо от нагрузки. Решение этих проблем может быть найдено в применении жесткого паруса-крыла. Этот тип паруса был установлен на катамаране "Старз энд страйпс" - защитнике Кубка Америки 1987 г. Парус-крыло испытай и на парусных досках, но пока без успеха. Другой резерв: яхтсмен, управляющий парусной доской, оказывает очень большое сопротивление встречному потоку воздуха. Оно равно почти 10 кгс и его можно снизить на 80 %, если принять соответствующие меры (хорошо обтекаемый шлем, специальный костюм).

Будет ли парусная доска первой у отметки скорости 100 км/ч? Шансы этого минипарусника очень высоки. Если рост скоростей парусных досок будет продолжаться, как и прежде, побить их рекорды можно будет только на очень большом судне. Нужно учитывать и еще одно обстоятельство. До сих пор заезды на побитие рекордов скорости проводятся на естественных акваториях, условия на которых далеки от идеальных. Не исключено, что в будущем будут построены специальные бассейны для спидсэйлинга, и здесь парусная доска может максимально проявить свою эффективность.

Есть и другие типы парусных судов, имеющие большой скоростной потенциал. Примером может служить яхта New Zealand , которая безуспешно выступала в гонках последнего Кубка Америки. Длина яхты 27 м, и ее концепция в принципе не отличается от парусных лодок прошлого. Она имеет хорошо обтекаемый корпус, паруса на мачте, а ее остойчивость обеспечивается за счет балластного киля и массы экипажа, откренивающего яхту. Хотя корпус New Zealand построен из углепластика, а паруса изготовлены из высокопрочных волокон кевлара, вряд ли это судно поразило бы яхтенного конструктора начала прошлого века. Высокая скорость подобного судна может быть достигнута только при очень больших размерах и соответственно огромных затратах на его постройку. Поэтому едва ли однокорпусная яхта этого типа первой преодолеет рубеж скорости 100 км/ч.

Рекорды скорости

Соперник New Zealand по Кубку Америки - катамаран "Старз энд страйпс", оснащенный жестким парусом-крылом, представляет собой более передовой проект. Большая ширина катамарана обеспечивает ему высокую остойчивость, благодаря чему судно может нести достаточно большую парусность. Жесткий парус-крыло, принимающий несимметричный профиль, более эффективен, чем парус из ткани. Хотя катамаран был вдвое меньше "New Zealand", американцы одержали победу над мега-яхтой без проблем. "Старз энд страйпс" имел более высокую скорость, особенно если отнести ее к длине корпуса. Наш "доисторический" конструктор определенно был бы удивлен, если не катамараиной схемой, то жестким аэродинамическим парусом, в те годы явно не известным.

Катамаран имеет гораздо более высокий скоростной потенциал, чем однокорпусная яхта. Судно, движущееся в воде, создает волны. Это требует затрат энергии, в данном случае развиваемой парусами. Потребление энергии проявляется в виде волнового сопротивления движению судна. С ранних времен развития судостроения известно, что длинный и узкий корпус создает меньшее волновое сопротивление, чем короткий и широкий. Известно и то, что в южной части Тихого океана с незапамятных времен строились парусные лодки с несколькими корпусами.

Двухкорпусные проа Кроссбау , а затем и катамаран Кроссбау-2 владели мировыми рекордами скорости для парусных судов неограниченного класса. "Кроссбау-2", развивший в 1980 г. в Уэймуте скорость 36 узлов, в сравнении с парусной доской просто гигант: длина его корпуса 23 м, общая ширина - 9 м, площадь парусности - 130 м 2. Но наибольшая ширина каждого корпуса составляет всего 0,6 м, что недостижимо для судна традиционной конструкции. Возможности катамарана в достижении высоких скоростей, однако, ие беспредельны. Обратимся к эскизу, на котором схематически показаны основные силы, действующие на катамаран. Кренящий момент от сил F и Т, действующих на парус и шверт, уравновешивается восстанавливающим моментом от сил D и V, равных весу судна и силе плавучести. Если сила F иа парусе слишком велика, крен катамарана возрастает до опасной величины. Иными словами, вес катамарана D ограничивает безопасную величину аэродинамической силы на парусе. Поскольку сила тяги, движущая катамаран, является частью силы F, ограничена и ее величина. Значит, для установления рекорда скорости катамаран обычных размерений не может использовать штормовые ветра.

Рекорды скорости

Будет ли катамаран первым парусником, скорость которого превысит 100 км/ч? Технических проблем здесь сравнительно немного. Суть в том, чтобы построить достаточно большой катамаран, который сможет развить такую скорость. Однако стоимость его создания будет очень высока, скорее всего - не менее одного миллиона долларов США. Значит, нужен очень богатый энтузиаст спидсэйлинга, который захочет стать чемпионом мира в этом виде спорта, либо человек, способный собрать такие средства на постройку судна-рекордсмена.

Движущееся судно кроме волнового сопротивления испытывает еще и сопротивление трения. Оно возникает в слоях воды, соприкасающихся со смоченной поверхностью корпуса. Если корпус сделать длинным, его смоченная поверхность возрастает и соответственно растет сопротивление трения. Следовательно, длинный корпус нельзя рассматривать как готовое решение при создании рекордного парусника. И волновое, и сопротивление треиия возрастают с повышением скорости судна очень быстро и становятся трудно преодолимыми препятствиями на пути к рекордам.

Есть, по крайней мере, два способа решить эту проблему. Первый - это заставить парусник глиссировать - скользить по поверхности воды. Парусная доска как раз представляет собой наиболее успешный пример глиссирующего парусника. Второй путь - использовать подводные крылья, которые поднимают корпус парусника над водой. Суда на подводных крыльях участвовали в заездах на побитие рекордов скорости с самого начала проведения соревнований. Успеха удалось добиться иа катамаране "Икарус", который при длине 6 м и ширине 3 м был оснащен парусами площадью до 22 м.кв. В 1985 г. на нем была достигнута наивысшая скорость 28 узлов, а на первых соревнованиях 1972 г. в Уэймуте "Икарус" развил 22 узла. Таким образом, прогресс в достижении высоких скоростей весьма посредственный по сравнению с парусной доской. В 1988 г. в "Неделе скорости" в Уэймуте французская лодка на подводных крыльях Лосирс-3000 установила новый мировой рекорд в классе судов парусностью 27 м , равный 26,44 узла.

Икарус и "Лосирс-3000" снабжены подводными крыльями, пересекающими поверхность воды. При движении на верхней поверхности (спинке) крыла создается разрежение гидродинамического давления и благодаря этому крыло поднимает корпус судна над водой. Но поскольку крыло пересекает поверхность воды, в область разрежения засасывается воздух, происходит так называемая вентиляция крыла, подъемная сила на нем падает. Чтобы избежать этого явления, крылья снабжают гидродинамическими шайбами.

Другое явление, которое может снизить эффективность подводных крыльев,- это кавитация. Из физики известно, что точка кипения воды зависит от давления. На уровне моря вода вскипает при 100 С. При давлении ниже атмосферного вода начинает кипеть при более низкой температуре. Если разрежение на спинке подводного крыла становится достаточно сильным, вода в этой области начинает вскипать - крыло кавитирует.

Водяной пар на крыле уменьшает его подъемную силу таким же образом, как и воздух. Кавитация становится проблемой при скорости судна около 40 узлов. Профили, используемые для самолетных крыльев, имеют характерный пик разрежения близ входящей кромки (носика). Эти профили для подводных крыльев непригодны, так как в области пика кавитация будет происходить даже на низких скоростях. Поэтому для подводных крыльев применяют другие профили, с более равномерным распределением пониженного давления по его хорде.

Будут ли парусники на подводных крыльях первыми на рубеже 100 км/ч? Пожалуй, нет. Во всяком случае, это может произойти лет через тридцать. Рассмотренные выше типы парусных судов имеют один общий недостаток: кренящий момент от аэродинамической силы на парусах уравновешивается весом лодки или экипажа, как это имеет место на парусной доске. Следовательно, существует верхний предел силы на парусах, после которого лодка опрокидывается. Есть, однако, несколько путей решить проблему остойчивости парусника без чрезмерного увеличения его веса или балластного киля.

К последнему Кубку Америки англичане построили Блю Эрроу - очень узкий однокорпусный парусник длиной 20 м, снабженный горизонтальными подводными крыльями, которые были закреплены на концах поперечной балки. Эти крылья служили для обеспечения остойчивости судна на ходу. Чтобы удержать лодку в прямом положении - без крена, один из членов экипажа при помощи гидравлической системы управлял углами атаки подводных крыльев. При достаточно высокой скорости крылья дают большой восстанавливающий момент, который не зависит от веса лодки. Эта система очень элегантна, но ее недостаток в том, что подводные крылья, когда они настроены на создание восстанавливающего момента, оказывают очень большое сопротивление движению, а следовательно, и развитию рекордных скоростей. Впрочем, "Блю Эрроу" и не рассчитывалась на побитие рекорда - она была спроектирована для соревнований по правилам Кубка Америки.

Небольшая лодка с гидродинамической стабилизацией участвовала в соревнованиях по спид-сэйлингу 1988 г. в Уэймуте. Это была байдарка с парусом от виндсерфера и вынесенными на аутригере стабилизирующими наклонными подводными крыльями. Другой путь избавиться от крена - это применение специальных парусов. Если парус и шверт устроены таким образом, как показано на схеме, то лодка и ие будет крениться при любой аэродинамической силе на парусе, и ее вес ие имеет решающего значения для остойчивости. Даже легкая лодка может воспринять большую силу тяги, развиваемую парусами, без крена. Такое судно имеет очень высокий скоростной потенциал.

Сравним обычную парусную доску с доской, снабженной таким парусом. Развивая скорость 40 узлов, доска несет парус площадью всего 4 м2, т. е. такой, который яхтсмен в состоянии откренить своим весом в достаточно сильный для установления рекордов ветер. Если же доску оборудовать парусом, не создающим крена, его площадь может быть в несколько раз больше. И он даст во много раз большую тягу, обеспечивающую достижение более высоких скоростей. Подобные паруса были испытаны в Уэймуте, но выступавшие на них спортсмены успеха не добились. Без сомнения, лодка с парусами, ие создающими крена, имеет реальные шансы стать первой на рубеже 100 км/ч. Требуется только довольно высокий уровень технической и финансовой поддержки проекта.

Дальнейшее развитие идеи паруса, не создающего крена,- это летучий парус. Для побития мирового рекорда скорости необходим ветер скоростью 15-20 м/с (30-40 узлов). Это очень сильный ветер. Большинство спортсменов, выступающих в соревнованиях по спидсэйлиигу, считают, что достаточно и 10 м/с. К тому же ветры такой скорости весьма редки и не всегда совпадают с "Неделями скорости". А если это происходит, сильные ветры приносят обычно удачу. Известно, что скорость ветра на различной высоте разная: по мере удаления от поверхности воды она возрастает. Причиной этого является трение между воздушным потоком и поверхностью воды, которое замедляет движение воздуха. При увеличении высоты с 2 до 10 м скорость возрастает на 30%. Скорость ветра 15 м/с на высоте 2 м возрастает до 20 м/с на высоте 10 м.

Один из способов утилизировать этот более сильный ветер - использовать летучие паруса, которые работают в верхних слоях воздушного потока. Несколько судов с такими парусами появлялось и на соревнованиях в Уэймуте. Наиболее успешным было выступление в 1988 г. 18-летиего американца Кори Ройселера. На водных лыжах, оснащенных летучим парусом, он развил скорость около 20 узлов и показал лучший результат в классе 10 м2. Другое судно с летучим парусом, управляемое французом Жилле-Луйк Дюраном, было снабжено подводными крыльями, а парус напоминал спортивный парашют. Несмотря на попытки довести конструкцию во время соревнований, это судно удалось разогнать только до 19 узлов - на 2 узла ниже, чем победителя в этом классе катамарана Икарус-2.

Пока что летучие паруса имеют низкую эффективность, что объясняется малой величиной отношения подъемной силы к силе сопротивления. Это отношение (качество) составляет сейчас около 4. Если парус развивает подъемную силу 400 кгс, то он создает и сопротивление, равное 100 кгс. Качество современного планера достигает 40. Если использовать его вместо паруса, то при той же подъемной силе сопротивление составило бы всего 10 кгс или на 90 кгс меньше! Это позволило бы развить значительно более высокие скорости. Следовательно, в идеальном случае эффективный летучий парус должен быть похож на современный планер с его длинными и узкими крыльями, имеющими аэродинамический профиль и жесткую поверхность.

Самую большую проблему, касающуюся летучих парусов, можно выразить словами: все, что поднимается, рано или поздно должно упасть вниз. Поэтому создатели летучих парусов должны быть готовы к тому, что по крайней мере первые попытки будут сопровождаться неконтролируемыми приземлениями и поломками. Если такой парус будет построен в виде планера, то каждая такая поломка обойдется очень дорого. Возможно поэтому на дистанциях спидсэйлинга до сих пор не появлялись лодки, движимые некоторым подобием планера.

Рекорды скорости

Англичанин Джеймс Лабушир построил и испытал модель парусника-рекордсмена, для движения которого используется парус-планер. В натуре размах крыльев этого планера составил бы 12 м, а для реализации проекта нужно по крайней мере 100 тыс. долларов США. Именно столько потребуется на приобретение высококачественных материалов - титана, углеволокна и т. п., для того чтобы построить легкий и прочный летучий парус. Уже два года изобретатель безуспешно ищет спонсора, готового выложить эту сумму.

Но можно пойти и другим путем - попытаться создать эффективную конструкцию летучего паруса, который можно было бы легко отремонтировать после повреждения. Например, использовать для его сооружения легкие трубы и ткань. Когда спортсмены научатся управлять ими и избегать непроизвольных падений, конструкцию можно будет сделать более сложной и работоспособной.

Почти 20 лет назад было построено множество самолетов, приводимых в движение мускульной силой пилота. И многие из них были изготовлены очень тщательно, например, количество нервюр в крыле достигало 400! Строили такие самолеты очень долго и соответственно долго ремонтировали после неизбежных поначалу крушений. Однако победителем в объявленном конкурсе был признай сравнительно простой по конструкции самолет, изготовленный из алюминиевых труб и пластиковой пленки, который легко можно было отремонтировать после падений. Возможно, и в создании летучего паруса для спидсэйлинга стоит придерживаться этого принципа. Лодка с летучими парусами сможет развить скорость до 200 км/ч, однако путь к этой скорости, так же как и к 100 км/ч, будет сложным и долгим. Но без сомнения, при современном развитии технологии этот тип парусника-рекордсмена имеет наивысший скоростной потенциал.

А. Ансар, журнал "Катера и Яхты", 1991 год.

Windseekers
Developers: skat, wolf