В журнале “КиЯ” №161 мы впервые представили нашим читателям входившую тогда в моду конструкторскую новинку, примененную на океанских яхтах — качающийся (наклоняемый) киль. В статье, посвященной итогам третьей кругосветной парусной гонки одиночников “Венди Глоб”, была приведена схема работы качающегося киля, спроектированного дизайнерской группой Жана-Мари Фино для 60-футовой яхты. Напомним, что впервые подобная конструкция киля была использована Фино при строительстве яхты Кристофа Огена “Сета Калберсон”, которая стала победителем гонки “BOC Challenge Around Alone 93/94” и подтвердила тем самым перспективность находки яхтенных конструкторов из Франции. За время, прошедшее с тех пор, идея не только не утратила актуальности, но и получила существенное развитие, овладев умами специалистов во всем мире.

В начале нынешнего года авторитетнейший английский журнал “Practical Boat Owner” объявил конкурс на лучшие разработки в области яхтостроения в нескольких номинациях. Конкурс этот должен был в некотором смысле подвести итог, продемонстрировать достижения конструкторской и дизайнерской мысли, накопленные к концу ХХ столетия.

В категории “Качающиеся кили и способы понижения осадки” победил проект “Distancia 60” (60-футовая яхта, разработанная немецкими специалистами), общее представление о котором вы можете составить по приводимым ниже рисункам и характеристикам.

В чем же основная идея предлагаемого проекта?

Прежде всего, как это легко заметить, яхта отличается от известных ранее конструкций наличием сразу двух наклоняемых килей, расположенных один за другим в диаметральной плоскости. Каждый из килей имеет независимый гидравлический привод механизма наклона и может наклоняться на угол до 90° к каждому борту. По мнению немецких исследователей, комбинация из двух качающихся килей позволяет оптимизировать искусственно создаваемый спрямляющий момент при движении яхты на различных курсах по отношению к ветру и тем самым улучшить ее ходовые характеристики. В то же время, дополнительное гидродинамическое сопротивление, возникающее при работе пары килей, как показали эксперименты в опытовом бассейне, оказывается несущественным.

Каким же образом происходит вышеназванная оптимизация движения яхты?

На острых курсах авторы рекомендуют наклонять задний киль на ветер (для создания дополнительного восстанавливающего момента) в сочетании с вертикально расположенным передним килем. Такая работа системы (рис. А) приводит к ощутимому снижению дрейфа яхты под ветер.

При движении яхты полными курсами оба киля (рис. В) поднимают на ветер на необходимый угол (при 20-узловом ветре экспериментальная яхта с полными парусами и наклоненными на 70° килями имела крен всего 17°).

Понижение осадки яхты достигается (рис. С) за счет разведения килей в разные стороны. В рассматриваемом варианте начальная осадка яхты составляет 3.7 м, а одновременный наклон обоих килей к бортам на угол около 60° приводит к уменьшению осадки до 1.8 м.

Если же увеличить наклон килей до максимальных 90°, осадка яхты уменьшится до 0.75 м, а лодка получит возможность устойчиво “обсыхать” на грунте (рис. D), что является необычайно важным качеством для яхт, эксплуатируемых в зоне действия мощных приливов и отливов.

Насколько сложнее построить такую яхту?

Пожалуй, способность килей наклоняться в данном случае не сильно усложняет конструкцию яхты. Судите сами. Оба киля ничем не отличаются от своих обычных “собратьев” — это такое же тонкое профилированное перо с балластом, выполненным в виде Т-образно пристыкованного бульба, как и на большинстве современных гоночных яхт. Правда, сами кили закреплены не на килевой балке набора внутри яхты, а крепятся подвижно снаружи корпуса — к продольной оси на выступающих под днищем мощных объемных скегах, приформованных к обшивке. Только один электрический кабель проведен сквозь корпус. Пока, без достаточного опыта эксплуатации, трудно судить о надежности и защищенности узла крепления килей к корпусу, а также его ремонтопригодности. К тому же, подробностей устройства механизма наклонения килей авторы проекта не разглашают. Известно только, что это гидравлический привод с электронасосами.

Следует отметить, что германские конструкторы предусмотрели возможность предотвращения различных аварийных ситуаций, в которые может попасть яхта, а также заложили в свой проект ряд конструктивных решений, повышающих ее безопасность. В частности, во время выполнения поворота оверштаг или фордевинд оба киля автоматически (без дополнительной команды) возвращаются в нейтральное (вертикальное) положение. В случае возникновения каких-либо проблем с гидравлическим приводом или электрической системой управления наклоном кили также автоматически возвращаются в нейтральное положение и остаются зафиксированными таким образом. На случай опрокидывания яхты внутри корпуса предусмотрена специальная аварийная кнопка, нажатие которой приводит к откидыванию килей на 90° к одному из бортов и возникновению, таким образом, максимального восстанавливающего момента.

По утверждению создателей яхты, водяная помпа на борту яхты и гидравлическая система привода килей бесперебойно работают даже тогда, когда лодка находится в опрокинутом состоянии. Последнее является чрезвычайно важным условием, особенно для океанских гоночных яхт. Если вспомнить трагические эпизоды последней кругосветной гонки одиночников “Around Alone 98/99”, можно отметить, что, например, яхта Изабель Отисье “P.R.B.” даже с откинутым на 90° килем так и не смогла вернуться в нормальное положение после опрокидывания в Южной Атлантике, сам киль не управлялся, а помпа в перевернутом состоянии не откачивала поступавшую внутрь корпуса воду.

Надежность гидравлических устройств и механизмов наклона килей яхты “Distancia 60” подтверждена соответствующими сертификатами Регистра Ллойда, что позволяет с оптимизмом ожидать начала эксплуатации яхты.

Одним из важных вопросов при разработке проекта парусной яхты является проектирование комплекса “руль-плавник”. Геометрические и гидродинамические характеристики, относительное положение выступающих частей корпуса влияют не только на маневренные, но и на мореходные качества яхты.

При проектировании современных яхт предпочтение отдается плавниковым килям и отдельно от них размещенным рулям. Такая компоновка комплекса “руль-плавник” позволяет уменьшить смоченную поверхность корпуса яхты и снизить сопротивление трения. Однако на волнении сопротивление плавникового киля может быть в несколько раз больше, чем на тихой воде. Возможно также явление аэрации — прорыв воздуха с поверхности воды в зону разрежения киля и руля, при котором резко падают их гидродинамические характеристики. Эффективность килей может значительно снизиться также при наличии ветроволновых поверхностных течений, скорость которых соизмерима со скоростями движения судна. В этом случае происходит снижение скорости набегания потока на киль и, следовательно, его подъемной силы, возможны резкое приведение судна к ветру, разворот его лагом к волне и т.п.

На “длинных” килях традиционного типа моменты сил, вызывающих рыскание судна, растут медленнее, чем на узких глубоких плавниках современных яхт. При движении яхты с длинным килем на коротких волнах эти моменты часто успевают сменить свой знак прежде, чем резко изменится курс яхты. Это одна из причин лучшей устойчивости на курсе старых яхт с “длинным” килем.

Значительное распространение получили плавниковые кили, представляющие собой тонкое крыловидное тело, установленное под корпусом судна. Такой киль проектируется для получения максимальной подъемной силы на малых углах атаки при небольшом лобовом сопротивлении. Однако при установке таких килей возможны неуправляемые развороты судна при падении эффективности комплекса “руль-плавник”. Для обеспечения устойчивости движения и повышения управляемости в ЛКИ были разработаны несколько принципиальных схем килей, описываемых ниже.

Скользящий киль

При установившемся и устойчивом движении парусного судна имеет место равновесие сил: боковая гидродинамическая сила, образуемая всеми демпфирующими погруженными поверхностями корпуса, равна боковой аэродинамической силе парусов и противоположно ей направлена. Все выступающие части корпуса парусного судна (руль, скег, киль и др.) проектируют таким образом, чтобы обеспечить оптимальное взаимное расположение ЦП и ЦБС. Незначительная регулировка (подстройка центровки) достигается отклонением руля и установкой парусов, а также вертикальным перемещением шверта. Эффективность такого управления может оказаться недостаточной при значительных ветроволновых возмущениях, реакция судна на перекладку руля оказывается замедленной. Это объясняется изменением относительного положения ЦБС, ЦП и давления на руле. Предлагается при потере реакции судна на перекладку руля перемещать киль вдоль судна до восстановления управляемости. На корпусе под днищем судна вдоль ДП предлагается закреплять направляющие, в которых своими верхней и нижней кромками фиксировался бы киль при его перемещениях.

Перемещение киля вдоль ДП приводит к изменению относительного положения ЦП, ЦБС и центра давления на руль, что восстанавливает реакцию судна на перекладку руля.

Принципиальная схема устройства приведена на рис.1. Киль 9 скользит в направляющих 8; его перемещение осуществляется, например, при помощи тросов 4, проходящих через блоки 3, барабан привода 7, самотормозящий редуктор 6, вращаемый за рукоятку 5.

Управление судном осуществляется рулевым, перекладывающим руль 1 и следящим за курсом по компасу. При потере управляемости судном рулевой с помощью рукоятки привода перемещает киль до появления реакции судна на перекладку руля. Фиксация положения киля обеспечивается конструкцией редуктора.

В предлагаемом способе управления при потере реакции судна на перекладку руля киль является активным средством. Его перемещение может осуществляться как человеком, так и автоматически, если смонтировать соответствующую быстродействующую систему.

В предлагаемом устройстве плавниковый киль выполняет демпфирующие функции и служит активным средством управления. Жестко укрепленная на корпусе рама 2 выполняет функции направляющих для плавника и служит балластом. Необходимое положение центра масс по высоте и длине достигается выбором соответствующих масс элементов конструкции рамы. Профиль рамы с направляющими может быть выбран таким, чтобы оказывать минимальное сопротивление движению яхты, а тросы привода киля можно защитить обтекаемыми кожухами, поскольку собственное сопротивление тросов существенно зависит от режима обтекания. При обтекании незащищенного троса при числе Рейнольдса Re~105 наблюдается отрыв пограничного слоя и образование вихревого следа, что сопровождается возникновением периодических сил, вызывающих вибрацию. В этом случае коэффициент сопротивления тросов кругового сечения Сх=1.0. При использовании обтекателей он может быть снижен до 0.2 и меньше.

Можно воспользоваться и другими приводами для приведения киля в движение, например, гидравлическим и вообще отказаться от тросов.

Киль-многозвенник

Все чаще на современных гоночных яхтах открытого моря можно видеть самые различные сочетания киля и швертов. На финской 21-футовой “Pomi Finland” можно видеть качающийся киль (весом 400 кг — 50% водоизмещения) и расположенный отдельно в нос от киля подъемный шверт. Яхта с парусностью 120 м2 построена для участия Ари Хуусела в гонке “Mini-Transat”(Конкарно-Канары-Гваделупа).

Устройство разработано с целью повышения эксплуатационных характеристик судна путем обеспечения плавного дозированного демпфирования дрейфа. Работает совместно с рулевым комплексом и может быть использовано для повышения его эффективности.

Усовершенствованный киль снабжен шарнирным многозвенником, который состоит из несущих поверхностей, имеющих возможность перемещаться относительно киля, складываться и фиксироваться в определенном положении (рис. 2, а). При вертикальном перемещении многозвенника изменяется наклон несущих поверхностей к горизонту, т.е. их угол килеватости. Изменяется также площадь проекции несущих поверхностей на горизонтальную и вертикальную плоскости. Оба эти фактора влияют на величину горизонтальной и вертикальной составляющих гидродинамической силы, возникающей на несущей поверхности.

При изменении угла килеватости достигается различная степень демпфирования возмущений, действующих на судно, т.е. различная стабилизация. Поворот киля с многозвенником вокруг вертикальной оси позволяет получить дополнительный момент, улучшающий управляемость судна.

Устройство содержит киль с балластом 1, корпусом 2 и гидроприводом 11 (рис. 3). Шарнирный многозвенник образован несущими поверхностями 3, 4, имеющими шарнирные соединения 5, 6, 7. С помощью ползуна 8 и гидроцилиндров 12 шарнирный многозвенник может перемещаться по корпусу киля 2. Зубчатый венец 9 с помощью привода (на чертеже не показан) обеспечивает поворот киля относительно вертикальной оси.

В обычном положении шарнирный многозвенник сложен в вертикальной плоскости (рис. 2, б). Судно управляется штатным рулем 13. При появлении возмущений, демпфирование которых не обеспечивается килем и корпусом судна, рулевой с помощью привода выводит из сложенного состояния шарнирный многозвенник, несущие поверхности 3, 4 которого создают дополнительное демпфирование до снятия или, по крайней мере, снижения возмущений. При недостаточной управляемости судна ее можно улучшить, поворачивая киль вокруг вертикальной оси, воздействуя на зубчатый венец 9.

Положительный эффект предлагаемого устройства состоит еще и в способности его умерять вертикальную и бортовую качку при помощи шарнирного многозвенника, сложенного в горизонтальной плоскости (рис. 2, в).

Киль изменяемой площади

Целью разработки является повышение эффективности киля путем изменения площади его рабочей поверхности.

Киль содержит неподвижный корпус (обтекатель) 6, упругие боковые поверхности 9, закрепленные на неподвижных вертикальных осях 5 (рис. 4). Устройство снабжено приводом 3, на валу 7 которого установлены конические шестерни 4, входящие в зацепление с ведущими шестернями ходовых винтов 2. На ходовых винтах расположены гайки-ползуны 1, к которым прикреплены противоположные кромки упругих боковых поверхностей 9.

В обычном положении упругие боковые поверхности киля находятся в свернутом состоянии и киль имеет наименьшую длину и площадь, ползуны 1 максимально приближены к обтекателю 6. При появлении значительного дрейфа судна необходимо увеличить площадь киля. Для этого включают привод 3, получают вращение вал 7, а через шестерни 4 и ходовые винты 2. Ходовые гайки 8 перемещаются в кормовую часть киля, увлекая за собой задние кромки боковых поверхностей 9.

Таким образом, возможно плавно изменять площадь киля от минимальной до максимальной. При движении ползунов 1 в корму боковые упругие поверхности 9 раскручиваются. При уменьшении площади киля ползуны с помощью привода перемещаются в нос, и работе привода помогают упругие силы, скручивающие боковые поверхности 9.

Фиксация боковых поверхностей в крайнем максимально растянутом и в любом промежуточном положениях возможна с помощью электротормоза, которым снабжен электродвигатель. Достаточность площади киля для достижения требуемого эффекта демпфирования контролируется рулевым.

Я.Фарберов, канд. техн. наук