Об автореГлавы 1-3 можно рекомендовать как отличный материал для обучения теории плавания под парусами: анализ действующих на яхту сил, центровка, основы аэродинамики –- все это можно использовать как при самостоятельном изучении, так и при обучении в парусных школах. Особый интерес, по-моему, представляет глава 3, в которой рассматривается подруливание с использованием тяги шкотов. Как говорится, это надо знать и уметь, причем и парусному туристу, и яхтсмену любого уровня.
Составляющие основное содержание книги главы 4-9 более специфичны: в них детально рассматриваются системы флюгерных (ветровых) авторулевых и различные аспекты их проектирования, настройки, эксплуатации. Тому, кто собирается в большое плавание по синей воде и интересуется подобными устройствами, книга сбережет силы и время при самостоятельном изготовлении, а если будет приобретен готовый агрегат — поможет в понимании его работы.
В перевод не включены глава 10 об электронных авторулевых (и еще несколько фрагментов об электронных устройствах), потерявшие актуальность за прошедшиее время, и глава 12 с предложениями для яхтенных конструкторов, по-моему, тоже не очень актуальная.
В главе 11 обсуждается проблема безопасности при использовании автоматического управления.
Так как перевод не имеет постраничной верстки, предметный указатель опущен (используйте поиск), а примечания вставлены непосредственно в текст и выделены синим шрифтом.
Григорий Шмерлинг
Об автореДжон Сеймур Летчер (младший) родился 9 декабря 1941 г. в Сан-Диего. Он рано проявил способности к математике и естественным наукам и 1959 г. выиграл конкурс Westinghouse Science Talent Search со своей конструкцией линейного ускорителя частиц. Джон использовал призовую стипендию, чтобы поступить в Калифорнийский технологический институт, где в 1962 г. получил степень бакалавра в области физики, в 1964 г. — магистра по аэронавтике и в 1966 г. — доктора (Ph.D) по аэродинамике.
Всю жизнь он был заядлым яхтсменом. Прошел шесть транстихоокеанских рейсов, дважды в одиночку на 20-футовой лодке, один раз с женой и маленькими детьми.
Джон основал программно-технологическую компанию AeroHydro Inc., занимавшуюся автоматизацией проектирования морского оборудования.
Почти 30 лет он возглавлял «Гонку шкиперов-пенсионеров» в штате Мэн, для которой разработал гандикап, основанный на программе прогнозирования скорости (используется в океанских гонках). В качестве научного консультанта он участвовал в подготовке нескольких гоночных кампаний на Кубок Америки. Джон Летчер является автором двух книг (по самостоятельному управлению и астронавигации для малых парусных яхт), а также ряда статей в области применения аэродинамики, гидродинамики и математики к проектированию яхт.
Он был исключительно добрым, вежливым, интеллигентным человеком. Умел строить лодки и ходить по океану, решать сложные дифференциальные уравнения, играть на банджо и печь пироги, и все это с мастерством и энтузиазмом.
Джон Летчер ушел из жизни 7 мая 2018 г. после тяжелой борьбы с болезнью Паркинсона, до последнего сохраняя свою врожденную мягкость и хорошее настроение.
«Это одна из примерно 20 опубликованных за последние 35 лет книг, которые стали новой классикой для любого любителя парусного спорта. Она должна быть в каждой морской библиотеке, неважно, общественной или личной. Книга содержит более 250 страниц подробного и практичного текста, схем и фотографий».
«Это просто ЛУЧШАЯ книга по проектированию лодок, которую я когда-либо читал. Джон Летчер применяет к решению проблемы самоуправляемости парусных яхт глубокие инженерные знания и практический опыт. Он использует системный подход, рассматривая каждый из элементов, составляющих эффективную систему подруливания. Предложена методология разработки каждого элемента и прототипа системы рулевого управления, прежде чем силы и средства можно будет с пользой вложить в готовое решение. Необходимость такого подхода связана со значительной вариабельностью систем подруливания и необходимостью их адаптации для каждой конкретной лодки. Становится понятным, почему готовые решения с ветровыми флюгерами, продвигаемые на рынок под лозунгом «один размер подходит всем», часто хорошо работают только при свежем ветре на бейдевинде.
Автор дает также ряд «рецептов», представляющих собой эффективное руководство по дизайну, указывая при этом на ограничения этого подхода. Книга считается лучшей из когда-либо написанных по системам подруливания с использованием тяги шкотов, но это также и лучшая книга для тех, кто хочет сам спроектировать систему управления для своей яхты или устранить недостатки и улучшить эффективность имеющегося ветрового авторулевого».
Джон Летчер щедро разрешил сделать свою книгу свободно доступной для личного использования.
Права на скачанные копии сохраняются.
Copyright © John S Letcher jr
Благодарим Лина Хайли (Len Hiley), получившего это разрешение и подготовившего книгу для интернет-публикации.
Оригинал доступен на сайте Jester Challenge
|
Джон С. Летчер мл.Самостоятельное подруливание
|
|
1. Рулевое управление и его автоматизация
2. Естественная устойчивость на курсе
4. Попробуем флюгеный авторулевой
5. Рули
6. Флюгеры
8. Передачи
Несколько лет назад в погожий сентябрьский денек 25-футовый тендер Aleutka плавно проскользил под знаменитым мостом Золотые Ворота в Сан-Франциско, а потом встал на якорь неподалеку от Сосалито. На следующий день мы с женой пригласили экипаж этой яхты, Джона и Пати Летчер, на обед на наш Whisper и провели время, рассказывая друг другу истории об Аляске. Истории Джона превзошли мои собственные. Даже сейчас, спустя четыре года, могу пересказать одну из них, о советах знатоков местных условий.
— Мы вошли в канал Линн, это огромный 120-мильный фиорд, — рассказывал Джон. — Ветер был южный, попутный, но я беспокоился о том, как мы будем выбираться обратно. Увидев промысловую рыбацкую лодку, мы подошли и спросили, какие тут бывают ветра.
— Не проблема, — ответил рыбак. — Тут, в Линне, всегда дует север.
— Чудесно, — сказал Джон, отбросил сомнения, и они с попутным южным ветерком забрались в самый отдаленный залив. Пришло время возвращаться, но напрасно они ждали, когда наконец подует с севера. Выбираться из Линна им пришлось три недели в лавировку, да еще и грести. Наконец они оказались около выхода из залива и там снова повстречали знакомого рыбака. Джон спросил:
— Где же этот северный ветер, который, как ты говорил, «дует всегда»?!
Рыбак почесал голову: — Что ты имеешь в виду, мистер? Он ведь и прямо сейчас дует на север!
Долгое время спустя я прочитал в журнале Yachting об одиночном плавании Джона на Island Girl, и мне стали очевидны его научно-технические наклонности, ведь он иногда определял свою долготу без точного времени, а с помощью одновременного наблюдения Луны и других светил. Это требует громоздких, трудных и скучных вычислений, но Джон смог найти более простое решение.
После последнего плавания на Аляску я был восхищен его «Алеуткой». Он сам построил эту маленькую яхту, лаконичную и функциональную, как математическое уравнение, но оснащенную всем, что только можно пожелать для долгого плавания. Джон остерегался и избегал применения двигателей; помню бурное обсуждение его весел и японского способа гребли.
Каждая деталь на его лодке была продумана и сделана, как решение самостоятельной инженерной задачи. Все было сделано по уму и с уважением к морским традициям, но мало этого — всякая деталь, например, вант-путенс, была тщательно просчитана перед тем, как Джон брался за ее изготовление. Он показал всем, что маленькая дешевая яхта может быть и практичной, и приносящей глубокое удовлетворение.
Джон продолжает работать над объединением морской практики и инженерной смекалки. Его новая книга — внимательный взгляд на систему рулевого управления, прежде всего на способы самоуправления парусных яхт. Единственной другой книгой по этому вопросу является вышедший несколько лет назад сборник AYRS (Amateur Yacht Research Society). Книга полезная, но представляющая собой сборник разрозненных идей и замечаний, без рассмотрения технологии и анализа соответствия нуждам яхтсменов, пересекающих океаны.
Книга Летчера, напротив, является хоршо организованным исследованием рулевых систем, проведенным квалифицированным инженером и одновременно моряком, оставившим за кормой десятки тысяч океанских миль. Книга наполнена технической информацией, но при этом легка и приятна для чтения.
Джон подчеркивает, что управление с помощью передачи усилия со шкота на румпель (sheet-to-tiller) не только наиболее просто и дешево в реализации, но часто и наиболее практично и качественно. Меня порадовало, что все рисунки к тексту сделан самим Джоном, он не использовал раздаточные материалы фирм-производителей. За последние лет 15 число небольших парусных яхт выросло, наверное, вдесятеро, а то и больше. Причин этому много: дакроновые паруса, лучшие и притом более дешевые новые проекты, автоматизация управления. А также то, что у людей стало больше свободного времени для отдыха, выросло благосостояние, увеличилась продолжительность жизни... стремление к природе и естественности, к путешествиям... Скорее всего, срабатывает некая комбинация всех этих факторов, и, конечно, решающий плюс – или минус – вносит индивидуальность будущего капитана. В 1972 г. меня спросили, сколько ходит по морям небольших парусных яхт. Изучив вопрос, я пришел к следующей оценке: 1400 яхт совершили океанские переходы длиной в тысячу миль и более. Столько "плавучих домиков" бороздило океаны и моря, и это замечательно.
Сейчас, пока вы читаете, где-то отходит от берега яхта, и паруса понесут ее в мерцающем синем просторе курсом на далекие острова... Если у капитана будет под руками эта книга, она поможет сделать плавание легче и приятнее. Чего же еще мог бы пожелать автор?
Hal Roth
Автор благодарен многим людям, внесшим свой вклад в эту работу. Во-первых, это замечательное сообщество моряков, занимавшихся вопросами самоуправления парусных яхт и делившихся в публикациях своими находками. Я попытался назвать имена всех изобретателей и практиков в этой области, о которых мог узнать тем или иным путем, и заранее приношу извинения за любые неточности. Во-вторых, это Самодеятельное общество яхтенных исследований — AYRS, Amateur Yacht Research Society, Woodacres, Hythe, Kent, England. Сборник его трудов №13, озаглавленный Self Steering и вышедший под редакцией Джона Морвуда (John Morwood), сыграл важнейшую роль в популяризации и развитии во всем мире методов самоуправления яхт.
В третьих, многие производители флюгерных авторулевых предоставили мне информацию о своей продукции, общие сведения об этих устройствах приведены в приложении.
И наконец, выражаю особую признательность своим друзьям, которые тем или иным путем помогли мне расширить понимание предмета и способствовали успешному написанию книги: это Dr. Peter Lissaman, Frank Rogganbuck, Roland Anderson, Irvin Giroux, Eric Hiscock, Ron Mitchell, Hal Roth, Dr. Jerome Milgram; благодарю Warren Roll за превосходные фотографии.
Phil Bolger, Frank Kibble, Jr. и Peter Spectre помогли мне в работе над рукописью и дали ценные предложения по улучшению книги.
Посвящаю книгу моей любимой жене Патриции, вдохновлявшей меня и помогавшей в постройке Алеутки. Трижды в нашей жизни она давала добро на то, чтобы я оставил спокойную и безопасную работу и мы вместе отправились навстречу приключениям в новое плавание. Пат и сейчас выходит на палубу и берет в руки румпель, когда мне надо менять паруса — и как бы хорошо ни работала наша "автоматика", этого она не заменит.
John Letcher
Southwest Harbor, Maine
Термин Self-Steering относится к любому способу или устройству, при помощи которых парусное судно может поддерживать определенное направление движения без участия человека. Термин применим к парусным яхтам; для крупных судов и самолетов такую же роль играет заменяющий человека автопилот. Говорят, что судно идет на автопилоте, а не управляется самостоятельно.
Сейчас яхтенный автопилот — самое обычное оборудование (правда, поскольку мы не в небесах, за рулем яхт следят авторулевые). Только какое же это «само-руление», когда работают электронные «мозги», мотор и аккумулятор. Ветровым (флюгерным) авторулевым не нужно электричество, но это хитроумные навесные агрегаты. Self-Steering — это гениальная простота, то, что есть сама яхта: паруса, шкоты, несколько блочков и веревочек. Но как переводить? Автоматическое управление? Наводит на мысль об электронных устройствах. Самоуправление? — это, скорее, из сферы общественной жизни. Остается разве что парусное самоуправство! :-)
Не претендуя на терминологическую точность, напишем где как придется.
По-моему, термин self-steering — «само-руление» стал употребляться яхтсменами в какой-то степени благодаря желанию считать яхту наделенной собственными чувствами и одушевленной. Когда я стою на лесенке в каюту и смотрю, как ловко яхта сама прокладывает путь через толчею волн после шторма, или ночью смотрю на компас и вижу, как целеустремленно и точно она держит курс к берегу в тысяче миль впереди... да, я с этим согласен. Я просто вижу это.
Ценность этой способности яхты в море нельзя оспорить, и хотя я понимаю, что это слегка абсурдно, просто перечислю, чем она полезна.
Сидеть за румпелем — работа не более творческая, чем стоять у конвейера, но часто она проходит в гораздо менее комфортных условиях. Рассмотрим перспективу дальнего морского перехода маленьким экипажем. В одиночку придется стоять на руле по 16 часов в день без всяких выходных, и при этом треть возможного продвижения все равно будет потеряна. Если вас двое, в принципе можно идти круглые сутки, при этом у каждого будет 12-часовой рабочий день. Даже когда в экипаже четверо, рулевая вахта займет у каждого более 40 часов в неделю. Конечно, часто вид моря прекрасен, а ощущение прикосновения к силе моря и ветра делает вахту на руле полной смысла и желанной. Множество плаваний, в том числе кругосветных, были совершены именно таким образом, благодаря силе духа и духу приключений.
Но автоматизация управления означает освобождение от рутинной рулевой вахты: каждый день вам будут возвращены 8, или 12, или 16 часов для других дел. Хотя бы иногда вы сможете провести всю ночь в теплой постели, а если надо нести вахту, можно будет сидеть не у румпеля, а в более защищенном месте или даже в каюте. Вы сможете спокойно приготовить вкусную еду и отобедать в обществе всей команды. У вас будет время для того, чтобы умываться, бриться, играть в шахматы и заниматься любовью, читать и писать.
День за днем яхта будет идти своим путем, лишь от случая к случаю требуя вашего внимания для настройки парусов и шкотов. Плавание, которое было испытанием выносливости, станет идиллическим.
Сегодня примерно 8 из 10 совершающих дальние плавания яхт оборудованы флюгерными авторулевыми. Думаю, что развитие этой технологии стало важным фактором роста числа плаваний на малых яхтах в последние годы.
В прибрежных плаваниях автоматизация управления не дает столь очевидных преимуществ. Но, если в Америке флюгерные авторулевые рассматривают как оснащение только для дальних плаваний, в Европе они уже стали для крейсерских яхт почти стандартом. Если на лодке есть авторулевой, ее владелец более свободен в наборе команды: требования к квалификации членов экипажа могут быть менее суровыми. При умеренных ветрах можно даже в одиночку справиться с управлением большой яхтой.
Легче и стоять на вахте: когда не надо все время держать румпель, при необходимости можно перейти в другое место в кокпите или на палубе, больше внимания можно уделить наблюдению за обстановкой. Возможность взять в руки карту и несколько минут изучать ее перед входом в незнакомую гавань уже стоит хлопот с устройством авторулежки. Даже для постановки на якорь кто-то должен удерживать яхту круто на ветер, пока вы будете убирать паруса и заниматься на носу якорем.
Надежная система автоматического управления — это еще один умелый рулевой, причем такой, который не ест и не пьет, не спит, не пререкается и нисколько не против стоять вахту в мерзкую погоду.
Возможность освободится от привязи к румпелю достигается одним из четырех способов: — за счет естественной способности яхты держать заданный курс, — устройством обратной связи с помощью оснастки, передающей на румпель усилие тяги паруса, — установкой флюгерного авторулевого, — установкой электронного авторулевого.
Каждый вариант имеет свои характеристики, свои преимущества и свои недостатки. Сначала мы коротко рассмотрим все названные способы и затем разберем каждый в отдельной главе, возможно, и не в одной.
На первый взгляд не очень понятно, почему бы хорошо настроенной яхте с закрепленным прямо рулем в устойчивый ветер так и не идти дальше постоянным курсом. Но факты таковы: некоторые яхты так себя и ведут, правда, лишь на некоторых курсах. Другие тоже бывают на это способны, если настроить их паруса по образцу первых. Такая настройка не будет обеспечивать максимальную скорость, но разве это не наилучший способ «самоуправления»? Самый простой, ничего не стоящий, не требующий никакие устройств, которые могут быть поломаны штормом.
Только сомневаюсь, что существует хоть одна яхта, способная вести себя столь примерно на любом курсе. Да и ветер никогда не бывает ровным и постоянным по силе и направлению, так что без частого подруливания не обойтись.
Но будет весьма полезно и интересно рассмотреть, почему же некоторые яхты все-таки способны естественным образом сами по себе держать некоторый курс к ветру, в то время как для большинства других курсов (и других яхт) это не получается.
Этот вариант прост, дешев и надежен, любую проводку снастей можно устроить и отремонтировать прямо на борту. Многие яхтсмены устраивали такие подруливающие системы на своих яхтах, и они всегда были специфичны для конкретной яхты, рангоута, тех или иных парусов. Универсальных решений здесь нет, кроме, разве что, применения двойных пассатных стакселей. Большинство яхтсменов считает, что уж эта-то яхта точно лишена магических способностей, необходимых для самостоятельного движения по курсу... и даже не пытаются все устроить. Или оставляет эту затею при первой же неудаче.
Этой книгой я хочу донести до вас две главных мысли, и первая из них: передача со шкота на румпель действительно рулит, просто и надежно, с любыми парусами.
Мое утверждение основано на 20000 миль океанских переходов, в которых не было никакого флюгерного автомата — и яхта управлялась сама как минимум 95% пути, исключая только шторма. Применявшиеся варианты подруливающей оснастки будут подробно рассмотрены в главе 3, мы обсудим и общие подходы к разработке и настройке таких систем.
Перечислю и недостатки подруливания передачей усилия со шкота:
Когда аэродинамическое устройство (флюгер, не являющийся парусом яхты), реагирует на изменение направления вымпельного ветра и приводит в движение руль, осуществляя обратную связь — это флюгерный авторулевой. Известен целый ряд типов подобных устройств, узлы которых отличаются разнообразием конструкций. Поскольку авторулевой является независимым устройством, не связанным с парусами и рангоутом яхты, при изменении условий работы он требует минимальной перенастройки и способен вести яхту по курсу в том числе и при рифлении или смене парусов. И даже под голым рангоутом во время шторма. Сама по себе концепция великолепна.
Главный недостаток здесь — необходимость установки специального устройства, которое должно удовлетворять трудно сочетающимся требованиям. Чтобы авторулевой работал в широком диапазоне условий, его механизм должен иметь хорошую чувствительность и легко настраиваться для работы на конкретной яхте. А вот чтобы не разлететься на части во время шторма, он должен быть очень прочным и надежным.
В результате флюгерный авторулевые имеют сложную кинематику и конструкцию, весьма дороги, имеют странный внешний вид и уязвимы для повреждений, причем починить их можно только в механической мастерской. Вдобавок, часто эти авторулевые работают далеко не так хорошо, как было задумано. Увы, редко какой флюгерный авторулевой нормально проработает весь долгий путь через океан.
Вот и вторая главная мысль книги: достичь хорошей работы флюгерного авторулевого не так легко, как кажется. Принципы работы нескольких типов таких авторулевых и рекомендации по их установке мы рассмотрим в главах 4 – 9.
Устройства, считывающие в виде электрического сигнала показания компаса и имеющие электропривод управления рулем, успешно работают на промысловых и транспортных судах. Появились и электронные авторулевые с умеренным расходом электроэнергии, которые можно использовать на парусных яхтах. Главное отличие электронного авторулевого от рассмотренных ранее — он держит курс не по ветру, а по компасу! Таким образом, постепенный заход попутного ветра может привести к непроизвольному повороту фордевинд. Еще более существенный недостаток — ограниченная эффективность лавировки, поскольку авторулевой не может обработать заходы ветра.
Направление даже ровного ветра обычно немного колеблется. Если передать управление авторулевому на крутом бейдевинде, через минуту-другую при очередном заходе ветра окажется, что авторулевой пытается идти чересчур остро. В результате паруса обезветрятся, яхта сделает поворот оверштаг или свалится под ветер. Правда, за прошедшие со времени выхода книги полвека системы авторулевых стали гораздо совершеннее и теперь электронные авторулевые можно переключать в режим управления по ветру (кроме простых моделей, не рассчитанных на подключение к сети и обмен данными с другими приборами).
С другой стороны, существует печальный список яхт, которых управление по направлению ветра приводило в опасное положение и к катастрофе. Такое случалось, когда на переходе в прибрежных водах никто не стоял вахту. Экипаж спал, а тем временем изменившийся ветер направлял яхту в берег. С электронным авторулевым мог произойти непроизвольный поворот или яхта встала бы в левентик, но не пошла бы прямо к опасности.
Для яхт, оснащенных двигателем, преимущество электронного авторулевого очевидно: только с его помощью яхта может держать курс, идя под мотором. Это еще более скучно, чем монотонная вахта на руле под парусами, но иногда бывает необходимо.
Исполнительный механизм электронного авторулевого обычно проще, чем флюгерного. Многие системы могут быть установлены под палубой, что защищает их от морской воды. Но зато прибавится забот, связанных с электроэнергией. Хотите ли вы, чтобы возможность освободиться на некоторое время от вахты на руле полностью зависела от генератора или состояния ваших аккумуляторов?
Как видно, каждый из четырех способов автоматизации управления яхтой имеет свои плюсы и свои минусы; легкого и универсального решения не существует. Многое зависит от особенностей конкретной яхты, вида и длительности предстоящего плавания и даже умений капитана в качестве механика и наладчика. По всему миру яхтсмены предлагали, испытывали и экспериментировали с самыми разнообразными идеями на этот счет, и я надеюсь рассмотреть все, о которых смог узнать. Но книгу хотелось бы сделать большим, чем «кулинарный справочник» из множества рецептов.
Как инженер я считаю, что лучший путь к решению проблемы начинается со здравого смысла и понимания основ. Поэтому постараюсь провести для заинтересованного читателя краткий курс аэродинамики, гидродинамики и механики. Надеюсь, он получит лучшее понимание того, как вообще управляется парусная яхта и каким образом она может делать это самостоятельно.
Как преподаватель я понимаю, что максимум, что я могу сделать для своих студентов — представить им материал в ясном и хорошо организованном виде, поэтому стремлюсь все классифицировать и последовательно разложить по категориям; при этом будут видны их взаимосвязи и имеющиеся альтернативы.
Как моряк-практик я знаю, что почти каждый из нас вместо всего этого предпочел бы получить простое и универсальное решение и забыть о формулах и механике жидкостей.
Но до тех пор, пока простое, дешевое, надежное и универсальное решение для автоматизации управления яхтой будет ускользать от нас, любая попытка успешно решить эту проблему потребует некоторой работы головой.
В качестве основы для понимания процессов управления парусной яхтой будет полезно рассмотреть силы, действующие на яхту на разных курсах, и понять, как они уравновешивают друг друга и как руль противодействует дисбалансу сил, стремящемуся повернуть яхту. Если понимание рассматриваемых вопросов будет вызывать затруднения, мой совет: сделайте маленькую модель яхты и держите ее перед собой (то относится и к другим темам, которые мы будем рассматривать позже). Так что рекомендую начать изучение теории с обстругивания деревянного брусочка в форме лодочки, ее вооружения мачтой и парусом, а желательно и оснащения килем и поворачивающимся рулем. Или с похода в магазин игрушек и покупки пластмассовой «яхты» со всеми этими частями.
Нам потребуется выделить и различать несколько видов движения, являющихся компонентами устойчивого движения яхты вперед при постоянном угле крена. Эти движения могут происходить как поочередно, так и одновременно.
1. Боковой снос или дрейф (sideslip, leeway). Угол дрейфа — это угол между курсом яхты и направлением, в котором она на самом деле движется (рис. 1-1 а).
2. Циркуляция — изменение курса, поворот яхты вокруг вертикальной оси. Его можно заметить, например, по показаниям точного компаса. Соответственно, скорость циркуляции — изменение курса в единицу времени, например, в градусах в секунду. (рис. 1-1 b). Нестабильные попытки лодки войти в циркуляцию то в одну, то в другую сторону называют рысканием на курсе (yaw).
3. Бортовая качка — зависящее от времени изменение угла крена, т.е. переменное вращение яхты вокруг горизонтальной оси симметрии нос – корма.
Эти три вида движения могут происходить по отдельности или одновременно в любом сочетании (рис. 1-1 с).
Рис. 1-1 (а). Устойчивый дрейф без рыскания.
Рис. 1-1 (б). Устойчивая циркуляция c постоянной скоростью, без дрейфа.
Рис. 1-1 (с). Движение яхты, в котором присутствуют и рыскание, и бортовая качка, и дрейф.
Рассмотрим простейший вариант движения яхты: по ветру (фордевиндом), при полностью сбалансированном вооружении, например, под одним спинакером или двойным (пассатным) стакселем (рис. 2-11), или даже под голым рангоутом.
В этом случае сила тяги складывается из сопротивления ветру, которое оказывает парус, рангоут и корпус, а появляется это сопротивление за счет разницы давлений на поверхностях предмета, обращенных навстречу набегающему потоку воздуха и по его направлению. Направление действия силы тяги такое же, как у ветра, прямо вперед по ходу яхты (рис. 1-2).
Рис. 1-2. Равновесие сил тяги и сопротивления движению при установившемся движении по ветру.
Под влиянием силы тяги лодка будет ускоряться до тех пор, пока сопротивление воды (которое быстро растет при увеличении скорости) не сравняется с тягой, которую дает ветер. Когда это произойдет и две действующие на лодку силы окажутся уравновешены, она, в соответствии с первым законом Ньютона, будет двигаться дальше прямолинейно и равномерно, с постоянной скоростью. Сопротивление воды при невысоких скоростях движения связано главным образом с трением между потоком воды и поверхностями корпуса, киля и руля. При повышении скорости движения вокруг лодки появляются волны. На их образование тратится некоторая энергия, а значит, появляется и еще одна составляющая сопротивления движению — волновое сопротивление. Чем выше скорость, тем выше и роль волнового сопротивления. В конце концов на некоторой скорости судно с водоизмещающим корпусом достигает волнового предела или «скорости корпуса», превысить которую оно не в состоянии, какой бы ни была сила тяги.
В рассматриваемых идеальных условиях руль стоит прямо, по оси движения яхты, и... не оказывает на это движение никакого влияния (кроме небольшого торможения из-за трения).
Следующий случай — яхта тоже идет фордевиндом, но тяга парусов не сбалансирована, например, поставлен один грот (рис. 1-3). Парус снова создает силу тяги по направлению ветра, а обтекающая корпус вода — равную ей по величине силу сопротивления движению. И результат тот же: движение с постоянной скоростью. Но теперь яхта не уравновешена: если посмотреть сверху, будет понятно, что тяга стоящего по правому борту грота стремится повернуть яхту влево. Если руль по-прежнему будет стоять в среднем положении, так и произойдет. Чтобу удержать яхту на курсе, руль немного поворачивают, создавая угол атаки к набегающему потоку. Возникающий при этом упор компенсирует момент вращения (крутящий момент), создаваемый тягой грота.
Сочетание действующих на объект сил создает момент (стремится развернуть объект) тогда, когда направления действия сил не лежат на одной прямой. В нашем случае именно так обстоит дело с силами тяги и сопротивления.
Рис. 1-3. Когда яхта идет под одним гротом, его тяга и сила сопротивления создают крутящий момент.
Рис. 1-4. Руль (крыло) отклоняет в сторону часть набегающего на него потока.
Руль яхты поедставляет собой типичное крыло, то есть пластину, отклоняющую набегающий на нее поток жидкости или газа с целью получить действующую перпендикулярно направлению потока силу. В главе 5 мы подробнее расмотрим крылья, работающие в воздухе и воде; пока нам нужна только схематичная картина. Отметим, что для возникновения гидродинамической силы (неважно, идет ли речь жидкости или газе) не имеет значения, обтекает ли поток неподвижное крыло или, наоборот, крыло движется в неподвижной среде. Важно то, что крыло отклоняет поток, т. е. некоторую массу жидкости или газа. Поток отклоняет сила давления крыла, само же крыло при этом испытывает такую же по величине силу реакции.
Ее можно разделить на два компонента: действующую поперек потока подъемную силу и действующую по направлению потока силу сопротивления (рис. 1-5; в авиации — лобовое сопротивление). (В нашем случае подъемная сила направлена горизонтально, а не вверх, как для крыльев самолета, но перпендикулярную потоку силу всегда называют подъемной).
Рис. 1-5. Отклонение потока вызывает на крыле подъемную силу, но часть энергии движущегося потока при этом теряется, что означает появление силы сопротивления.
Плавниковый киль яхты также является крылом; его задача — если появится дрейф, создать противодействующую ему подъемную силу. Когда действующие на яхту силы сбалансированы и дрейфа нет (рис. 1-2), нет и подъемной силы.
В противном случае (рис. 1-3), когда для удержания на курсе приходится немного отклонить руль, при этом чуть-чуть повернется и корпус яхты, что означает появление дрейфа. На фордевинде дрейф будет практически незаметным, но он создаст на киле подъемную силу, которая уравновесит силу на руле (рис. 1-6).
Рис. 1-6. Создаваемый рулем и килем крутящий момент уравновешивает крутящий момент несимметричного паруса;
силы тяги и сопротивления, а также подъемные силы на киле и руле попарно уравновешивают друг друга.
Яхта не уйдет с курса только при равновесии всех сил и моментов, т.е. при условии, что рулевой или некое устройство повернет руль на определенный правильный угол.
Теперь рассмотрим более общий случая движения под парусом: полные курсы, бакштаг или галфвинд (рис. 1-7). Теперь действующая на парус результирующая сила направлена не по ветру и не по курсу яхты, а под каким-то углом между ними. Разложим ее на два компонента: прямо по курсу (сила тяги) и поперек него (кренящая сила, она же сила дрейфа). Сила тяги движет яхту вперед, ее уравновешивает сила сопротивления. Кренящая сила должна быть уравновешена силами, действующими на корпус, киль и руль — в противном случае яхта начала бы двигаться боком, да еще с ускорением.
Наконец, для отсутствия рыскания требуется сбалансировать все крутящие моменты относительно вертикали. Яхтсмены называют это центровкой яхты, и это главный момент во всех проблемах управления яхтой.
Рис. 1-7. Баланс сил при установившемся движении полным курсом.
Если остается некомпенсированный крутящий момент, его надо парировать рулем.
На центровку яхты влияет много факторов, но чаще всего обсуждается расположение парусов и киля по длине яхты. Другие такие же важные факторы центровки, а именно положение парусов, их высоту и угол крена яхты, принимают во внимание редко. Изменение положения (угла атаки) парусов определяет положение эффективного центра сил действующих на парус.
Когда яхта идет определенным курсом, шкоты подобраны и паруса настроены на максимальную скорость, большинство факторов центровки становятся определенными. Это выбор парусов, их положение, угол крена, величина сил тяги и дрейфа, положение киля или шверта. Управлять положением киля для достижения баланса обычно нельзя, и в дело вступает руль: отклоняя его, мы создаем дополнителный крутящий момент и удерживаем яхту на курсе. Если при брошенном руле яхта начинает поворачиваться носом на ветер, говорят, что она приводится (weather helm), если по ветру — уваливается (lee helm).
Когда яхта имеет небольшую тенденцию к приведению, ее центровка считается оптимальной, так как появляется фактор безопасности: если по каким-то причинам руль окажется брошен и лодка начнет поворот на ветер, ее паруса станут сбрасывать ветер.
К сожалению, из-за большого числа факторов центровки нельзя сказать, что «любая яхта должна быть хорошо уцентрована при всех условиях». Это попросту нереально. При проектировании и затем настройке яхты следует стремиться к тому, чтобы она слегка приводилась, идя в бейдевинд при умеренных ветрах, когда угол крена обычной однокорпусной яхты составит 10-15°.
Помните о роли плеча между силами тяги паруса и сопротивления корпуса, и вы не будете разочарованы, обнаружив, что в легкий ветерок яхта может слегка уваливаться, а в свежую погоду на ходу с солидным креном будет лежать на руле, стремясь развернуться на ветер. Для однокорпусных яхт такое поведение совершенно нормально.
По этому поводу пишут много ерунды, например, что крен делает погруженную в воду часть корпуса ассиметричной, носовая волна с подветренного борта выше, чем с наветренного, дифферент на нос смещает вперед центр бокового сопротивления.
Опыты в бассейне показали, что подобные эффекты несущественны в сравнении с самым простым и очевидным даже на рисунке: крен смещает точку приложения равнодействующей тяги паруса в подветренную сторону, и рост плеча этой силы увеличивает крутящий момент на ветер. Чем сильнее ветер и больше крен, тем сильнее приводится яхта.
На бейдевинде действующие на яхту силы те же самые, что и на полных курсах (рис. 1-7), но сила дрейфа будет в этом случае в 2-4 раза больше, чем силы тяги и сопротивления. Парус на бейдевинде работает не как парашют, а как крыло, создающее подъемную силу и минимально возможные сопротивление и кренящий момент. Давление на парус создается за счет того, что идущий вдоль поверхности паруса поток отклоняется от своего первоначального направления в сторону задней шкаторины.
Каждый моряк в начале своего обучения учится видеть разницу между истинным ветром, который ощущает неподвижный наблюдатель, и вымпельным ветром, который наблюдается на движущемся судне. Вымпельный ветер представляет собой разницу по силе и по направлению между истинным ветром и движением судна. Понятно, что на паруса и флюгеры действует именно вымпельный ветер. Когда на следующих рисунках вы увидите стрелку с надписью ветер, как правило она обозначает направление вымпельного ветра.
Ради упрощения обсуждения работы описанных ниже подруливающих систем явно упоминать об изменении вымпельного ветра мы будем только в тех случаях, когда такое изменение имеет важное значение. Обычно будем считать направление вымпельного ветра постоянным, например, северным, несмотря на какие-то отклонения яхты от первоначального курса. Пусть это будет как бы истинный ветер, а небольшими изменениями вымпельного при незначительных эволюциях яхты мы будем пренебрегать. Не думаю, что это большое заблуждение. Мои расчеты работы подруливающих систем показывают, что, хотя такие изменения направления вымпельного ветра оказывают свое влияние, лишь в особых случаях, таких как ветровой отрыв многокорпусников (см. рис. 8-15), это влияние важно для стабильной работы системы.
Существуют два подхода к анализу реакции подруливающих систем на уход с курса. В обоих случаях предполагаем, что яхта устойчиво движется заданным курсом, все действующие на нее силы уравновешены.
Далее эти подходы будут применяться поочередно в зависимости от того, какой из них сделает объяснение более наглядным.
В этой главе будет рассказано, почему некоторые яхты способны сами по себе держать определенный курс. Это хорошее начало для того, чтобы подумать над тем, какие силы действуют на яхту, как они взаимодействуют и как меняются при изменении курса. Такое введение послужит нам для понимания общей идеи стабильности. Но не ждите от этого материала помощи в проектировании яхты с высокой курсовой устойчивостью. Обеспечение устойчивости на курсе с помощью систем подруливания проще и универсальнее, а естественная устойчивость ограниченна и не стоит компромиссов при решении других задачах проекта.
Большинство однокорпусных яхт в ровный ветер могут сами идти в крутой или полный бейдевинд с закрепленным рулем. Зафиксировать руль можно разными способами, я предпочитаю самый простой: привязать румпель или штурвал концами с той или иной возможностью регулировать их длину.
Прежде всего, устойчивость на курсе зависит от крена яхты. Допустим, устойчиво идущая в бейдевинд яхта по какой-то причине немного увалилась. При этом сила давления ветра на паруса увеличится, возрастет и крен. А это значит, что вырастет и плечо силы тяги, а вместе с ним крутящий момент, который будет приводить яхту к ветру, т.е. обратно, ближе к прежнему курсу (рис. 2-1 и 2-2). Для упрощения на рисунках не показаны силы дрейфа и сопртивления ему, которые при изменении крена меняются незначительно.
Рис. 2-1. Яхта идет в бейдевинд. Все силы уравновешены, движение устойчивое.
Рис.2-2. При уваливании возрос крен и появился добавочный крутящий момент, работающий на приведение.
Рис. 2-3. Яхта привелась. Крен уменьшился, действие руля стало сильнее приводящего момента
и яхта начнет уваливаться к равновесному курсу.
Если приведение будет сильным и яхта приведется выше прежнего равновесного курса, давление ветра на паруса, крен и момент на приведение уменьшатся, и процесс пойдет в обратную сторону (рис. 2-3).
Конечно, это сильно упрощенное описание. Величины тяги и силы дрейфа меняются при рыскании яхты, положения центра парусности ЦП и центра бокового сопротивления ЦБС зависят от угла крена, при изменении тяги меняется скорость яхты. Все эти эффекты вполне поддаются количественной оценке, и для однокорпусников оказывается, что роль плеча силы тяги при изменении крена имеет доминирующее значение (см. Letcher, "Balance of Helm and Static Directional Stability of a Yacht", Journal of the Royal Aeronautical Society, vol. 69, 'p. 24 1-7, 1965).
Устойчиво идти в бейдевинд с закрепленном рулем можно только при ровном ветре, поскольку изменение силы ветра приведет к изменению крена, а вслед за ним и курса. При усилении ветра яхта будет приводиться вплоть до полоскания парусов, при ослаблении ветра — уваливаться, может произойти и поворот на другой галс.
Если каждые несколько минут приходится выходить на палубу и заново настраивать положение руля, какой уж тут отдых. Чтобы удержать яхту на курсе в таких условиях, необходимо работать рулем. Но вскоре мы рассмотрим, как с помощью простого приспособления можно парировать колебания силы ветра на бейдевинде.
Прежде чем Эрик и Сьюзен Хискок установили на своей яхте Wanderer III флюгерный авторулевой, они прошли в бейдевинд много тысяч миль с совершенно свободным, болтающимся рулем (Voyaging Under Sail, Oxford Univ. Press, 1959, p. 63). Когда никто не держит румпель и никакая натянутая снасть не передает на него усилие, то руля словно и нет: перо руля свободно поворачивается так, как его поворачивает поток воды, на нем не возникает никакой разницы давлений и нет силы, которая стремилась бы повернуть яхту (исключая теоретически возможный случай идеального балансирного руля (см. рис. 5-22).
Чтобы устранить тенденцию яхты к приведению, грот необходимо зарифить (рис. 2-4), он должен находиться в некотором балансе с площадью переднего паруса.
Рис. 2-4. Wanderer III идет в бейдевинд с зарифленным гротом и свободным рулем.
Когда яхта сбалансирована, она самостоятельно держится на курсе, невзирая на изменения силы ветра. Я не могу с уверенностью сказать, что в данном случае компенсирует изменение крутящего момента силы тяги паруса. Вероятное объяснение следующее: наверное, руль у Wanderer III был сделан прочным и тяжелым, из плотного дерева и с мощными металлическими фитингами. В таком случае при крене яхты и руль «кренился» бы под ветер, поворачиваясь в своих петлях и создавая силу, препятствующую приведению. Использовать несбалансированный по массе руль, который будет наклоняться в сторону крена и препятствовать возникающей вместе с креном тенденции к приведению — вполне реальная возможность. Возможно, дело было все-таки в настройке парусов..
Попытки идти с закрепленным рулем любым курсом кроме бейдевинда обречены на неудачу. Яхта может пройти по курсу несколько длин корпуса, затем любое небольшое возмущение отклонит ее на несколько градусов в сторону, и вместо коррекции курса она станет отворачивать все дальше, и это будет происходить все быстрее и быстрее. Придется вмешаться, чтобы предотвратить остановку с полощущими парусами или поворот фордевинд.
Это типичное поведение системы с неустойчивым равновесием, которое обычно иллюстрируют примером с шариком, лежащим на выпуклой поверхностях (рис. 2-5). В принципе, шарик может некоторое время оставаться в таком положении, но стоит ему чуть сдвинуться с точки наибольшей высоты, и он с ускорением покатится вниз. На вогнутой поверхности равновесное положение шарика в самой низкой точке будет устойчивым: при отклонении от него сила тяжести послужит возвращающей силой, и шарик будет совершать колебания вокруг исходной точки (рис. 2-6). Шарик на плоскости демонстрирует безразличное равновесие: ему все равно, где находиться и куда катиться (рис. 2-7).
Рис. 2-5 – 2-7. Неустойчивое, устойчивое и безразличное равновесие.
Примечательно, что причина неустойчивости яхты на полных курсах и ее устойчивости на острых курсах одна и та же: влияние крена. На рис. 2-8 показана яхта, идущая бакштагом с закрепленным рулем. В данный момент ее движение устойчиво, все силы уравновешены. Но если она немного приведется, давление на паруса возрастет и крен увеличится (рис. 2-9). При этом возрастет и плечо силы тяги, и увеличившийся крутящий момент еще больше усилит приведение. Если яхта увалится, ее крен уменьшится (рис. 2-10), вместе с ним уменьшится плечо тяги и приводящий момент — под действием закрепленного руля яхта будет уваливаться все больше.
Как и для бейдевинда, это упрощенное описание, но для однокорпусных яхт обычных пропорций крен также играет решающую роль.
По этой причине основными параметрами, определяющими степень неустойчивости яхты на полных курсах, являются высота парусного вооружения и остойчивость корпуса. Для очень остойчивых корпусов существуют приемы, которые позволяют достичь устойчивости на курсе с помощью настройки парусов. Мы рассмотрим их ниже. Но я ни разу не видел яхты, устойчиво идущей на бакштаге с закрепленным рулем, хотя и сам пытался добиться этого на разных лодках.
Рис. 2-8. Яхта с закрепленным рулем на бакштаге, все силы уравновешены.
Рис. 2-9. Приведение. Рост крена и крутящего момента заставляет яхту приводиться все больше.
Рис. 2-10. Уваливание. Крен и момент сил тяга/сопротивление уменьшились, момент руля продолжает уваливать лодку.
В завершение этой по большей части пессимистичной главы остается рассмотреть курс фордевинд. Почему, даже если вынести паруса далеко вперед, яхта не может устойчиво идти вслед за их тягой, кроме разве что при легком ветерке на гладкой воде? Рассмотрим, казалось бы, идеальный случай: грот убран, на штаге поднят двойной стаксель, руль закреплен в среднем положении (рис. 2-11).
Казалось бы, яхта должна вполне стабильно идти с попутным ветром, не так ли? Не тут-то было. Случайное небольшое отклонение и тут вызовет смещение вектора тяги на подветренную сторону, появятся крен и крутящий момент, который будет все больше уводить яхту с курса (рис. 2-12). Поворот прекратится только тогда, когда паруса выйдут из ветра и начнут полоскать.
Рис. 2-11. Фордевинд под двойным стакселем с закрепленным рулем.
Рис. 2-12. Отклонение от курса. Крен вызывает крутящий момент, который все больше уводит яхту с курса.
В следующей главе мы рассмотрим классическое решение для этого случая — связывание шкотов и румпеля.
Рассмотрим два фактора влияния формы корпуса яхты на курсовую устойчивость при работе любого подруливающего устройства. Один из них общеизвестен, а вот другой редко принимают во внимание применительно к яхтам.
Это и есть первый фактор, определяющий роль корпуса. Широко распространено мнение, что наилучшую устойчивость на курсе имеют длиннокилевые корпуса, поскольку длинный киль тормозит рыскание. Специалисты по аэродинамике называют это демпфированием рыскания. По-моему, для моряка лучше звучит сопротивление рысканию, и я буду применять этот термин для обозначения любого момента рыскания, который сам возникает вследствие рыскания и пропорционален скорости изменения курса судна.
Итак, длиннокилевая яхта идет вперед и одновременно начинает отклоняться влево (рис. 2-13).
Рис. 2-13. Изменение угла атаки встречного потока на концах длинного киля в момент начала отклонения (вид снизу).
Сложение векторов скорости движения вперед и окружной скорости концов киля (нос пошел влево, корма вправо) изменит угол атаки набегающего на киль потока так, что возникнет сила, направленная против начавшейся циркуляции. Заметим, что эффективность частей киля в противодействии рысканию пропорциональна квадрату их расстояния от вертикальной оси разворота яхты: радиус вращения определяет и окружную скорость, и плечо силы, создающей крутящий момент. Понятно, что короткий киль препятствует рысканию гораздо меньше.
Но киль — это еще не все. Рассмотрим пример самолета. Если поставить на самолет широкие крылья (с длинной хордой), он был бы демпфирован по тангажу, но с трудом отрывался бы от земли из-за сопротивления большой поверхности крыла. Гораздо эффективнее использовать небольшую поверхность, но подальше от основного крыла, на самом хвосте (рис. 2-14). Такая схема и использовалась в авиации до тех пор, пока переход к сверхзвуковым скоростям не заставил делать стреловидные крылья с малым удлинением.
То же и для яхты: с точки зрения гидродинамики эффективнее разделить киль и руль, увеличив удлинение каждого из них. Действительно, яхты с коротким килем и отдельным рулем на корме успешно управляются флюгерными авторулевыми и системами для использования усилия на шкотах, так что длинный киль как таковой вовсе не является предпочтительным с точки зрения автоматизации управления крейсерской яхты. Но лодки с коротким килем быстрее сбиваются с курса, если руль отпустить, и более подвержены колебаниям курса, возникающим при работе систем подруливания.
Рис. 2-14 (а). Изменение угла атаки хвостового оперения самолета препятствует тангажу.
Рис. 2-14 (б). Изменение угла атаки хвостового плавника и руля яхты препятствует рысканию.
Вторым фактором, определяющим противодействие корпуса рысканию яхты на курсе, является положение центра тяжести яхты (ЦТ) по отношению к точке приложения равнодействующей гидродинамических сил (ЦГС). Я сознательно избегаю применения привычного термина центр бокового сопротивления (ЦБС), поскольку в конструировании яхт его используют минимум в трех разных значениях:
Эксперименты в бассейне показали, что в широком диапазоне углов рыскания, крена и скоростей положение ЦГС меняется незначительно. Существует теория расчета ЦГС, но она пока далека от того, чтобы считаться доказанной и ее можно было принять. Ниже на рис. 5-27 показаны варианты оценки положения ЦГС.
Довольно сложная зависимость курсовой устойчивости от относительного положения ЦТ и ЦГС изучалась, но осталось неясным, как можно использовать полученные результаты при конструировании яхт (см. J. H. Milgram in Annual Reviews of Fluid Mechanics, 1972, vol. 4, p. 397-430; H. C. Curtiss in 2nd A.I.A.A. Symposium on Sailing, 1970, p. 21-32; and J. Gerritsma in 3rd A.I.A.A. Symposium on Sailing, 1971, p. 10-29).
Основное заключение из этих работ следующее: корпус сам по себе имеет курсовую устойчивость лишь в ограниченном диапазоне положений ЦТ впереди ЦГС.
Это и есть тот второй аспект роли корпуса, о котором мало кто знает и который к тому же трудно рассчитать для конкретной яхты. Но он играет заметную роль в работе подруливающих систем. Я использую этот фактор как одно из объяснений разной эффективности работы флюгерных авторулевых на внешне весьма похожих яхтах.
Влияние ЦТ можно качественно объяснить, рассмотрев циркуляцию яхты. Центробежная сила, приложенная к ЦТ яхты, уравновешивается центростремительной боковой гидродинамической силой, приложенной к ЦГС. Если ЦТ находится впереди ЦГС, крутящий момент этих сил будет направлен против циркуляции (рис. 2-15 а), если же ЦТ окажется позади ЦГС — будет помогать развороту яхты, т.е. усилит ее рыскание на курсе (рис. 2-15 б).
Рис. 2-15 (а). ЦТ находится впереди ЦГС, возникающий момент противодействует повороту.
Рис. 2-15 (б). ЦТ находится позади ЦГС, возникающий момент способствует повороту, уменьшая сопротивление рысканию.
Существуют два аэродинамических эффекта, влияющих на естественную устойчивость яхты на курсе, а также на автоматическое подруливание любым другим методом.
Для большинства многокорпусников и некоторых однокорпусных яхт, имеющих высокую начальную остойчивость, можно добиться устойчивости на курсе с помощью определенной настройки парусов. Наилучших результатов можно добиться для двухмачтовых яхт с вооружением кеч и иол. Именно поэтому Слокам приспособил на Спрей бизань, хотя и продолжал называть яхту шлюпом.
Чтобы устойчивость на курсе повысилось, шкот бизани должен быть выбран слабее, чем шкоты парусов на грот-мачте.
На время забудем о крене и посмотрим сверху на идущий в галфвинд Спрей (рис. 2-16а).
Рис. 2-16 (а). Спрей идет в галфвинд. Бизань стоит свободнее, чем другие паруса.
Если яхта начнет уваливаться, бизань наполнится ветром, и ее тяга возрастет сильнее, чем тяга грота и стакселя, шкоты которых и так выбраны втугую для получения максимальной тяги. Появится дополнительный приводящий момент, возвращающий яхту на курс. Если же яхта начнет приводиться, бизань окажется растравленной еще сильнее и потеряет тягу, в то время как передние паруса будут еще наполнены ветром, их тяга повернет яхту на прежний курс.
Удержание на курсе будет тем эффективнее, чем больше площадь бизани и чем дальше в корму от грот-мачты стоит бизань-мачта. Работает этот способ только при отсутствии значительного крена. А вот наличие двух мачт не является обязательным требованием. Достичь самостоятельного подруливания яхты удается даже на бакштаге — для этого стаксель должен быть туго набит, а желательно и вынесен подальше вперед (на бушприт), в то время как грот несколько растравлен.
Рис. 2-16 (b). Бакштаг с выбитым в доску стакселем.
По моим наблюдениям, на шлюпах и тендерах сильная набивка стакселя менее эффективна и, хотя и повышает устойчивость на курсе, нельзя считать такой способ всегда работающей системой для подруливания.
При двухмачтовом вооружении (или любом, когда парусность достаточно разнесена по длине яхты) существует еще один стабилизирующий эффект. Рассмотрим иол на курсе бейдевинд. Яхта шла по нужному курсу и рыскнула вправо, под ветер. Корма при этом пошла в противоположную сторону, что вызвало появление соответствующего компонента вымпельного ветра (рис. 2-17). Угол атаки для бизани вырос, давление ветра на нее возросло — это прямо противодействует рысканию. Аналогично, в случае рыскания на ветер давление ветра на бизань ослабнет.
Рис. 2-17. При уваливании бизань за счет окружной скорости кормы получает больший угол атаки и более сильный ветер.
Этот эффект, который будем называть сопротивление парусов рысканию, действует вместе с сопротивлением рысканию, которое оказывает корпус. Рис. 2-18 иллюстрирует возникновение эффекта на бакштаге. И в этом случае рыскание в сторону от ветра увеличит скорость ветра у бизани, что противодействует начавшемуся повороту. Сопротивление рысканию свойственно любой конфигурации парусов, но более выражено, когда паруса находятся на большем расстоянии от ЦГС.
Рис. 2-18. При уваливании бизань за счет окружной скорости кормы получает больший угол атаки и более сильный ветер.
Обратите внимание, что рассмотренные нами эффекты работают по-разному. Стабилизирующий эффект парусов работает при отклонении яхты от курса независимо от того, продолжается ли в это время ее поворот или нет. Напротив, сопротивление рысканию возникает именно во время поворота и не зависит от того, идет ли яхта по курсу или нет. Ниже мы увидим, что роль этих эффектов для подруливания различна.
В 1962 г., когда пересечения океанов на маленьких яхтах были еще в новинку, я прошел на своей 20-футовой Island Girl (тендер) вдоль побережья Южной Калифорнии, некоторые участки в одиночку. Конечно, бывало что мне хотелось оставить руль, и я эмпирически освоил многое, о чем говорится в предыдущей главе. Лодка могла долго идти сама с привязанным рулем, а иногда и со свободным, но только если ветер был ровный и хотя бы немного острее галфвинда. Стоило курсу стать чуть полнее — все, безнадежное дело.
К счастью, тогда я еще ничего не слышал о флюгерных авторулевых. Я был бы в восторге от такой идеи и потратил бы огромное количество времени на создание и испытания чего-то в этом роде только для того, чтобы убедиться в непригодности своего изделия для реального плавания.
Тем летом я читал классические отчеты о плаваниях и обретал уверенность в своей лодке, в то же время ощущая, что Южная Калифорния становится для меня тесновата. Мысли все больше обращались к тихоокеанским островам и к тому, как прекрасно должно быть идти под парусом при ровных ветрах дни и ночи вдали от берегов. Поддержку этим мечтам и много полезных указаний я нашел в прекрасной книге Эрика Хискока «Путешествие под парусом» (Eric Hiscock, Cruising Under Sail). Я не находил причин, по которым Island Girl оказалась бы непригодна для дальних плаваний, и в 1963 году начал всерьез готовиться к летнему плаванию на Гавайи.
Из книги Хискока я узнал о «близнецах» — двойных пассатных парусах, сделал две пары, побольше и поменьше, и испытал их в гавани Лос-Анджелеса, произведя фурор среди воскресных яхтсменов. Предполагалось, что первые миль 800 до начала области северо-восточных пассатов мне придется сидеть на руле, зато потом пассатные стакселя позволят отдохнуть.
В книге Хискока были также изображены несколько необычных схем подруливания шкот-румпель, которые работали даже на полных курсах, во всяком случае, на нескольких конкретных яхтах. У меня возникла идея: нельзя ли обобщить принципы работы таких систем?
Рассказ о плавании на Гавайи послужит удобным фоном для того, чтобы показать, каких успехов удалось добиться. Действительно, удалось быстро научить Island Cirl самостоятельно держаться на любом курсе при ветре силой менее 6 баллов. Я проводил за румпелем в среднем меньше часа в день, включая время на все эксперименты.
Вскоре после полудня 6 июня мы вышли из гавани Лос-Анджелеса и в бейдевинд пошли в сторону знакомых очертаний острова Санта-Каталина при свежем западном ветре, типичном для солнечного летнего дня. По пути я решил наконец попробовать придуманный некоторое время назад метод: достал кусок тонкой резиновой трубки и натянул его между румпелем и наветренным бортом (рис. 3-1), чтобы убрать лишнее приведение к ветру. Резинка должна была возвращать лодку на курс, тяга шкотов в том процессе никак не участвовала.
Рис. 3-1. Румпель на резинке.
Оказалось, что такая простая система требует постоянного наблюдения. Как я не пытался настроить реинку, через минуту-другую яхта или приводилась, или уваливалась. Когда при порыве мы чуть не сделали оверштаг, я понял, что на порывах яхта приводится, а при ослаблении ветра уваливается. Пожалуй, она реагировала на силу ветра даже сильнее, чем при брошенном руле. Идея оказалась неудачна: на порыве надо было одерживать сильнее, а резинка этого не делала.
На море вечерело, а я рулил вручную и размышлял, осознав, что любая система автоматического управления, чтобы хоть как-то работать, должна корректировать и отклонения от курса, и колебания силы ветра. Ночь прошла спокойно и я хорошо выспался, но только благодаря тому, что с подветра от Каталины до позднего утра был штиль.
Снова западный ветер, снова бейдевинд. Теперь надо было обойти западную оконечность острова Сан-Клементе. Я сидел в кокпите и смотрел, как яхта идет с подвязанным румпелем, и пытался понять, почему. Когда ветер посвежел, оказалось, что под зарифленными парусами она ведет себя не хуже. Это было приятно.
Чтобы упростить регулировку, а провел конец от румпеля через блок на наветренной стороне, а с него на свободную при этом галсе лебедку стаксель-шкота и кулачковый стопор (рис. 3-2). Такая привязь хорошо держала румпель на месте, и ее легко было регулировать одной рукой. Потом, когда стемнело, была утомительная лавировка против течения при умеренном ветре вокруг скал Сан-Клементе. Это было последнее опасное место у берега Южной Калифорнии, и после полуночи оно осталось за кормой.
Я устал, да еще накатила морскую болезнь. Спустился в рубку подремать, но ветер то стихал, то дул снова, и я все время просыпался от грохота блоков, летавших по погону, когда неуправляемая яхта меняла галс или поворачивала фордевинд. Пришлось выбраться, вернуть яхту на юго-западный курс, приспособиться к новой силе ветра и немного подумать, как бы сделать свою систему лучше.
Рис. 3-2. Удобная регулировка привязки румпеля.
Утром следующего дня, несмотря на морскую болезнь, я нашел удачный способ подруливания на бейдевинде, который с тех пор прослужил мне на разнымх яхтах по крайней мере 3000 миль. По сути, работает естественная устойчивость лодки на бейдевинде (см.выше); использование тяги шкота позволяет приспособиться к колебаниям силы ветра.
Island Girl, 20-фт тендер, на котором автор совершид одиночное плавание из Калифорнии на Гавайи и Аляску и обратно в 1963-65 г.г. Яхта идет с подруливающей системой, показанной на рис. 3-3. Курс около галфвинда, шкоты ослаблены.
Гики для двойных стакселей хранятся прицепленными к вантам.
(Фото Warren Roll, предоставлено Yachting).
Island Girl идет в бейдевинд. На пути от Гонолулу до Ситки яхта прошла так 400 миль в северо-восточных пассатах за 5 дней. Все время, кроме взятия рифов и постановки парусов, я проводил в каюте, читая и отдыхая.
(Фото Warren Roll, предоставлено Yachting).
Управляющая снасть идет от румпеля через блок на наветренном борту, а затем оттягивает середину ветви проводки гика-шкота у коренного конца. При усилении ветра шкот распрямляется, подтягивая снасть, которая тянет румпель на ветер. Это дает защиту от приведения.
Натяжение снасти для управления должно быть частично уравновешено резинкой, протянутой в подветренную сторону (рис. 3-3). (Лучше всего прицеплять снасть именно на первую ветвь проводки гика-шкота у коренного конца, как показано на рисунке. Там она не сможет попасть в блок и заклинить гика-шкот.)
Рис. 3-3. Подруливающая оснастка для бейдевинда, работавшая на Island Girl.
Теперь при ровном ветре яхта сама идет вперед. Когда ветер слабеет, резинка подтягивает румпель (и, за снасть, гика шкот) и яхта немного приводится. При усилении ветра шкот распрямляется, и снасть тянет румпель к наветренному борту, уваливая яхту. Резинка при этом растягивается. Хитростей здесь в том, чтобы подобрать натяжение резинки и получающийся перегиб гика-шкота, который определяет глубину обратной связи при изменении силы ветра. После того, как вы в первый раз соберете такую систему, придется потратить некоторое время на ее настройку.
Соедините все при некоторой силе ветра и подождите, пока он изменится. Например, усилится. Если яхта все еще приводится, обратная связь недостаточна и натяжение резинки надо увеличить, чтобы перегиб шкота был больше. Наоборот, если при посвежевшем ветре яхту уваливает — реакция системы сильнее чем нужно. Уменьшите перегиб шкота, ослабив натяжение. При удачном подборе натяжения яхта будет способна сама позаботиться о сохранении курса в довольно широком диапазоне силы ветра. первый раз я провозился с резинкой и оттяжкой целый день, но утром пятого дня плавания, когда ветер по-прежнему дул почти навстречу, записал в дневник: «Всю ночь проспал, яхта шла сама собой».
Я взял на заметку удачную настройку, и когда в тот день мы несколько раз меняли галс на лавировке, мне почти всегда удавалось правильно настроить подруливание с первой попытки.
С тех пор такую система много раз была испытана на полудюжине разных лодок с разными комбинациями парусов и их рифлением, при ветре вплоть до силы, при которой я еще не опасался нести паруса, и она никогда не подводила.
Мое открытие способа самоуправления на бейдевинде слегка запоздало для того, чтобы взять на него патент: оказывается, по меньшей мере еще полвека назад модели яхт управлялись точно таким же методом. На рис. 3-4 показаны два варианта подруливающей системы с тем же принципом работы, используемые в судомоделизме: румпель с хвостовой планкой и квадрант Брейна (его использовали и на обычной яхте Sopranino). Отличие здесь только в механике устройства для передачи тяги шкота на румпель.
Задолго до моих опытов было установлено, что подобные устройства хорошо работают на острых курсах, но совершенно неработоспособны при ветрах с кормовой четверти.
Рис. 3-4. Два варианта подруливающих устройств для моделей яхт: хвостовая планка на румпеле и квадрант Брейна.
Для нас важны два параметра применяемых резинок: эластичность (зависимость растяжения от приложенной силы) и длина в ненапряженном состоянии. Предположим, вы используете отрезок 10-мм резиновой трубки, один конец которой закреплен на румпеле, а другой на утке. Если надо вдвое увеличить усилие на румпеле, можно сделать это двумя способами: а) поставить параллельно еще одну такую же резинку и б) предварительно натянуть единственную резинку.
Результат (изменение натяжения при отклонении румпеля) будет совершенно разным. В первом случае не меняется длина в ненапряженном состоянии, а эластичность уменьшается вдвое; во втором эластичность не меняется, но резинка перестает тянуть румпель только при большем угле отклонения.
По опыту моих 5000 миль, оптимальная настройка для систем такого рода при любых условиях следующая: резинка должна оказываться в ненапряженном состоянии при положении румпеля посередине или слегка отклоненным для уваливания яхты.
Мы ведь хотим, чтобы система работала в широком диапазоне силы ветра, в том числе при легком ветерке. Шкот при этом будет натянут слабо, а поворачивать руль будет легко. Соответственно, и резинка при этом должна быть не натянута или натянута совсем слабо.
Выбор эластичных материалов довольно широк:
Резина стареет и постепенно разрушается на солнце, поэтому убирайте ее, когда не используете. Впрочем, пары футов трубки мне хватило чтобы пройти много тысяч миль. Черные трубки более устойчивы к солнцу, чем светлые. Самый подходящий диаметр у меня был 10 мм.
Рис. 3-5. Зависимость силы тяги от растяжения для резинового шнура и медицинской трубки.
На шестой день мы получили прекрасный свежий ветер с северо-запада. Оказалось, что при правильно стоящих парусах точно такая же схема подруливания работает и при вымпельном ветре почти с траверза. Снасть управления была соединена со шкотом схватываюшим узлом, принимая большую часть тяги гика (рис. 3-6).
Рис. 3-6. Галфвинд, управление рулем тягой гика-шкота.
В этом случае объяснить работу подруливания не так легко, так как яхта с привязанным рулем в лучшем случае сохраняет курс, но не может парировать отклонения. Если держать гика-шкот рукой и намеренно рулить то немного ниже, то немного выше, вы можете почувствовать изменение тяги. Видимо, эти изменения и ответственны за стабилизацию курса. Меняется и вымпельный ветер, усиливаясь при приведении и ослабевая при уваливании (рис. 3-7), эти изменения и вызывают разницу в тяге.
Рис. 3-7. Существенное изменение скорости вымпельного ветра при приведении и уваливании с галфвинда.
Конечно, корректировка курса должна учитывать и влияние силы ветра (приведение при его усилении и росте крена). На практике на галфвинде необходимо заново подобрать правильную упругость и длину резинки, чтобы сбалансировать чувствительность.
На седьмой день северо-западный ветер ослабел и зашел к северу, с северо-запада шла длинная зыбь. Теперь я опробовал схему, специально предложенную Хискоком для тендеров. Управляющая снасть проходила от стаксель-гика вокруг палубы с наветренного борта (рис. 3-8). Чтобы увеличить тягу маленького стакселя, мне пришлось поставить еще один блок, после чего все работало хорошо, но... дело едва не кончилось катастрофой.
Я прикрепил передний блок к нижней ванте правого борта примерно в двух футах от палубы. Мы качались на зыби, и каждый приходящий на этот блок рывок от паруса или румпеля немного сгибал ванту. День таких издевательств, и она порвалась. Я получил урок, что такое усталость металла. Со схемой подруливания при этом ничего не случилось...
Рис. 3-8. Галфвинд с управлением рулем тягой стакселя.
Рис. 3-9. Схема Тони Скидмора для полных курсов, использованная на Mona Sally.
Подобную схему использовал Тони Скидмор (Tony Skidmore) на 24-футовом шлюпе Mona Sally в одиночном плавании из Британии в Британскую Колумбию. Оказалось, что система хорошо работала в широком диапазоне курсов (рис. 3-9), других вариантов Скидмор не применял. Штормовой стаксель площадью 3 м2 был поднят от форштевня так, что галсовый угол находился на высоте 1 м от палубы. Наветренный шкот проходил через блок, привязанный к нижней ванте (это будет безопасно, если предусмотреть трубку или деревянный брусок длиной около фута для распределения нагрузки), а затем передавал тягу на румпель через протянутый вдоль палубы линь. Румпель оттягивал резиновый шнур.
Эта схема работала настолько хорошо, что Скидмор отказался от двойных стакселей для плавания по ветру, предпочитая уменьшить качку за счет лавировки по ветру с гротом и генуей.
Однако, внутренний стаксель, шкот которого проведен с наветренной стороны, обычно выглядит довольно неуклюже. Мне было бы несколько не по себе, если бы на яхте все паруса не были наполнены ветром как можно лучше... но для многих яхтсменов это небольшая плата за универсальную систему подруливания для всех курсов. Мы с Фрэнком Киббе (Frank Kibbe) опробовали такую схему на его 30-фт шлюпе Kifaru, используя парус площадью 2,3 м2, а потом и 1,7 м2.и были очень довольны результатами, хотя я чувствовал, что на бейдевинде движение немного замедлилось.
Следующую неделю мы с Island Girls получали слабые встречные ветра и штили, и только на 12-й день, примерно в 600 милях от берега, появилась необходимость в подруливании при попутных ветрах. Сначала подул северный ветер, и мы шли под генуей, шкот которой я провел через блок на ноке гика. Управляя яхтой вручную, я быстро заметил, что натяжение гика-шкота (которое теперь передавало тягу обоих парусов) увеличивалось, когда я направлял яхту выше нужного курса, и уменьшалось, когда мы шли полнее. От этого наблюдения до подруливания оставался один шаг (рис. 3-10).
Рис. 3-10. Бакштаг. Управление с помощью грота и генуи.
С помощью блока слишком большая сила тяги шкота была уменьшена вдвое. С этой системой мы шли весь день при крепнущем ветре и разгуливающемся море. В сумерках мы уже неслись под свежим ветром вприпрыжку, перелетая с гребня на гребень. Яхта дрожала от напряжения, но во все время усиления ветра сохраняла такую стабильность на курсе, словно шла по рельсам. Правда, лишь одно обстоятельство побуждало меня продолжать нестись под всеми парусами в сгущающуюся тьму: я не знал, как заставить яхту так же хорошо идти в бакштаг с любыми другими парусами. .
Во всем плавании на Гавайи оказался только один день, когда мы шли в бакштаг. Но позже я освоил несколько простых и успешных способов подруливания на бакштаге с различными комбинациями парусов. В их основе лежит использование тяги стаксель-шкота, которой противодействует резинка, стремящаяся привести яхту (рис. 3-11).
Рис. 3-11. Управление с помощью стаксель-шкота — основной способ для бакштага.
Как это работает:
При правильно поставленных парусах натяжение стаксель-шкота сильно зависит от направления вымпельного ветра. Когда яхта начинает уваливаться, стаксель теряет тягу из-за того, что попадает в ветровую тень других парусов; а также уменьшения скорости вымпельного ветра. Если направление ветра будет примерно два румба от кормовой четверти, стаксель почти обезветривается, его шкот натянут очень слабо. Резинка делает свою классическую работу приводит яхту, возвращая ее на курс. Когда яхта начинает приводиться, стаксель получает чистый и более сильный ветер, его тяга растет и натяжение шкота пересиливает резинку, уваливая яхту.
Такая схема управления работает настолько мощно, что яхта держит точный курс даже при значительном волнении. Уверен, что любая яхта со стакселем будет идти таким образом.
Для этой схемы управления (и большинства других, рассмотренных в этой главе) важным фактором является натяжение резинки. Как обычно, лучше всего, чтобы при среднем положении руля натяжение отсутствовало, поэтому важно подобрать упругость резинки. По моим наблюдениям, резинка должна быть более тугой, чем в других случаях, но если она будет тянуться совсем слабо, тяга шкота просто не сможет повернуть румпель. При слабой резинке могут появиться неприятные колебания: стаксель будет то терять ветер, то наполняться, а яхта — рыскать на угол до 90°, а то и больше. Правильная резинка где-то посередине... и когда вы ее подберете, она обеспечит и стабильный курс, и некоторую реакцию на изменения силы ветра.
Большинство дальних плаваний я совершил в одиночку на Island Girl и вдвоем с женой на Aleutka, 25-футовом тендере, который мы построили в 1967 г. Она имела такое же вооружение, как Island Girl, но без бушприта. На обеих яхтах описанная выше система подруливания (рис. 3-11) отлично работала с использованием всей тяги стаксель-шкота. Площадь стакселя составляла 7 м2, на гроте можно было брать один, два или три рифа. Подбирая силу резинки, удавалось настроить систему ари ветре направлением от трех румбов в кормовой четверти до примерно галфвинда.
Когда ставилась генуя площадью 15 м2, но для передачи на румпель с помощью блока отбиралась половина силы натяжения шкота. При парусах еще большего размера тяга шкота может стать столь велика, что использовать такую же схему будет неудобно и опасно.
На Jo Too Фрэнка Шелли (Lapworth-36) мы использовали стаксель-шкот, привязывая снасть передачи тяги на румпель к шкоту между кипой и лебедкой или использовали блоки, проводя снасть через канифас-блок наверху леерной стойки (рис. 3-12).
Рис. 3-12. Два варианта использования тяги стаксель-шкота на больших яхтах. См. также рис. 3-24.
По-моему, регулировка длины контрольной снасти и величины изгиба шкота были очень критичны; удачнее работала система с полиспастом в 4 лопаря, передающим на румпель ослабленное усилие.
Добавление одного из наших двойных парусов (см. стр. 63), вынесенного с помощью гиков на наветренную сторону, увеличивало парусность примерно на 40%; кроме того, этот парус "зачерпыва" ветер и направлял его на геную. Рабочий диапазон курсов с самоуправлением составлял в такой конфигурации от чистого фордевинда до примерно шести румбов на четверть и определялся упругостью резинки (рис. 3-13 а).
Другие яхтсмены использовали альтернативный способ, в котором управление было сделано по тяге самого двойного стакселя (рис. 3-13 б). Работал он так же хорошо. Об успешном применении подобной системы сообщали Стэнли Брэдфилд (D'Vaw, кеч с двойным гафелем) и Джон Гудвин (Speedwell of Hong Kong, шлюп Vertue).
Рис. 3-13 (а). Бакштаг с двойным стакселем на гиках.
Рис. 3-13 (б). Еще один вариант управления с использованием двойного паруса.
Полиспаст или таль — простой механизм, позволяющий увеличить или уменьшить силу натяжения снасти с помощью определенного числа блоков, через которые она проведена. Строго говоря, таль это полиспаст для подъема грузов, но здесь это синонимы.
Тут нет ничего сложного. Натяжение ветвей снасти по сторонам любого блока, через который она проведена (лопарей), одинаково, а сам блок будет тянуть с суммарной силой. Из-за потерь на трение выигрыш в силе окажется несколько меньше, но для нас это несущественно. Например, таль, показанная на рис. 3-14а наверху, дает трехкратный выигрыш по сравнению с приложенной силой, а следующая — четырехкратный.
Любую таль можно реверсировать и превратить в делитель силы тяги снасти, приложив усилие к противоположному концу. На рис. 3-14 внизу показана та же самая таль, что и наверху, но включенная наоборот: теперь ее нагрузка втрое меньше, чем приложенное усилие.
Выигрыш в силе для любой тали оборачивается ровно таким же проигрышем в длине снасти, которую надо выбрать, чтобы переместить груз или перетянуть что-либо. Так работает закон сохранения энергии. Если выигрыш в силе, например, 3-кратный — придется выбрать тройную длину ходового конца. Понятно, что при реверсивном включении снасть с ослабленной тягой будет убегать втрое быстрее, чем с «силовой» стороны.
Рис. 3-14. Соотношение сил для талей с проводкой в 3 и 4 лопаря.
Трение мешает работе любой подруливающей системы. Обычные симптомы этого — вялость реагирования на заходы ветра или ошибки курса, а также тенденция к большим колебаниям относительно желаемого курса, поскольку только при большом отклонении корректирующие силы становятся способны преодолеть трение и повернуть руль. При передаче сил со шкота на румпель трение сосредоточено главным образом в блоках.
Не стоит экономить на размере блоков (диаметре шкивов и зазорах для прохода снастей): именно трение может обусловить все различие между хорошо работающей схемой и такой же, но неработоспособной. Блоки испытывают существенную нагрузку и все время находятся в работе, поэтому их износ тоже может быть проблемой. Выпускаются блоки на подшипниках, но и более простые со шкивом из фторопласта на оси из нержавеющей стали могут работать хорошо и долго.
На рассвете тринадцатого дня пришел пассат, теплый умеренный ветер с северо-востока. С первыми лучами солнца я был на палубе, чтобы установить большие двойные паруса.
Система подруливания для них заработала сразу же, и оставшиеся 1500 миль до Гавайских островов мы пробежали за 17 дней, не прикасаясь к румпелю, за исключением сильного ветра и одного памятного шквала с ливнем.
Когда пассат становился слишком силен, приходилось менять большие парные паруса на маленькие, но иногда нескольких дней подряд единственной задачей управления яхтой было время от времени подтягивать или расправлять брасы.
Яхтсмены используют много вариантов двойных передних парусов и достигают устойчивого движения по курсу на различных яхтах. Единственное, что объединяет все варианты оснастки, это использование двух гиков для поднятия двух одинаковых парусов с противоположных сторон мачты.
Изобретение этого варианта приписывают капитану Отвэю Уоллеру (Otway Waller), который в 1930 г. пересек Атлантику на яхте Imogen. Для каждого паруса требовался гик с топенантом, носовой оттяжкой (выстрел-брасом), нижней оттяжкой и брасом для удержания гика в нужном положении. Паруса были снабжены закрутками, лини которых проведены вдоль гиков (рис. 3-15).
Со всеми этими снастями при установке парусов надо было поработать, но, насколько понимаю, Уолле делал это всего один раз.
Брас — это снасть, идущая с нока спинакер- (стаксель-) гика в сторону кормы и передающая большую часть тяги паруса. Современные яхтсмены скорее назвали бы эти снасти шкотами, но название «брас» — хорошая дань памяти терминологии парусного флота с прямыми парусами, где брасами назывались снасти, управляющие разворотом и положением рей.
Рис. 3-15. Двойные паруса Уоллера.
На большинстве яхт закрутки двойных парусов не используют, а ставят их на особых снастях, временно или постоянно проведенных от мачты на переднюю палубу (рис. 3-16). Такое вооружение требует наличия оттяжек, препятствующих задиранию гиков вверх, так как идущие на корму брасы оттягивают гики вниз недостаточно.
В спокойных условиях для перехода с обычного косого вооружения на двойные паруса (достать и установить гики, настроить дополнительные оттяжки и поставить паруса) требуется около часа; понятно, в плохую погоду или в темноте времени уйдет гораздо больше.
Рис. 3-16. Оснастка для двойных парусов.
Большинство усовершенствований идеи двойных передних парусов было направлено на повышение удобства их применения и сокращение требуемой специальной оснастки. Но гики и сами паруса нужны так или иначе. Для хранения гиков используют минимум три способа, все они более удобных, чем держать гики на палубе (рис. 3-17):
Рис. 3-17. Варианты хранения и приведения в рабочее положение гиков для двойных парусов:
1) подъем вдоль мачты; 2) со скользящими шарнирами (гуськами); 3) с гуськами, закрепленными на мачте.
Так как гики должны свободно поворачиваться в разные стороны, их пятки крепят с помощью карданных шарниров. Если гик окажется повернут так, что окажется параллельным любой оси кардана, следующее движение из-за огромного рычага может привести к поломке. Чтобы этого избежать, шарнир крепят на мачте так, чтобы ось кардана на закрепленной на мачте части была горизонтальна и немного наклонена назад. Если гик никак не сможет оказаться в вертикальном положении (например, из-за профиля рубки), ось на мачте можно установить и вертикально.
Для крепления паруса и концов на нок гика ставится подходящая оковка с обушком и т.п., можно также использовать наконечники для спинакер-гиков, которые позволяют на расстоянии раскрыть кольцо и сбросить снасти, потянув за специальный конец. Можно поставить на ноке гика шкив или просто кипу с гладкими краями.
Двойные передние паруса могут находиться в пространстве от мачты до штевня или бушприта. Размещение близко к мачты плохо тем, что подветренный гик нельзя будет оттянуть назад: он упрется в ванту. Это особенно ощущается на яхтах, нижние ванты которых находятся на уровне мачты или несколько впереди нее. С другой стороны, если галсовые углы отодвинуты далеко вперед, можно представить, что при отпускании наветренного гика вперед (чтобы поймать ветер с кормовой четверти) его парус слишком раздуется. Впрочем, ни на Island Girl ни на Aleutka это не доставляло проблем, хотя мы обычно оттягивали галсовые углы вперед, насколько это было возможно — как если бы паруса стояли на штаге.
Если двойные паруса должны стоять на собственных штагах или закручиваться, оставаясь поднятыми, их придется прикрепить дальше от носа, чтобы они не мешали обычному стакселю при лавировке.
Существует теория, согласно которой наличие зазора между двумя парусами увеличит курсовую устойчивость, а если отклонить эти паруса вперед на магический угол в 23° она возрастет так сильно, что и проводка брасов к румпелю не понадобится. Однажды я попробовал на Island Girl такую конфигурацию (паруса стояли свободно, не на штагах), и результат был отрицательным. Когда брасы были заведены на румпель, она стала управляться нормально.
Нет сомнений, что отдача гиков вперед, придающая парусам форму клина, способствует курсовой устойчивости, но это также заметно уменьшит их тягу (как и разрыв между полотнищами). Сомневаюсь, что некоторый стабилизирующий эффект оправдывает эту жертву.
Чтобы двойные паруса были полезны в слабый ветер, их площадь должна быть не меньше площади основных парусов. Для шлюпа с топовым вооружением, тендера и иола это означает, что длина гиков должна быть не меньше среднего между длиной основного гика и основанием переднего треугольника, а сами паруса поднимались до топа мачты. Но для ветров сильнее 4 баллов такие паруса будут слишком велики, так что надо предусмотреть рифление или иметь для сильного ветра комплект двойных парусов поменьше.
Для рифления можно использовать обычные стаксельные закрутки, скручивающие парус вокруг его троса по передней шкаторине. Это проще, чем закручивать лавировочные стакселя, так как нагрузка на двойные паруса для фордевинда меньше, а их форма в зарифленном состоянии гораздо менее важна.
Интересную систему закрутки двойных парусов разработал и установил на 40-футовом иоле Delight Wright Britton. На этой яхте они с женой совершили много плаваний в северной Атлантике. По-моему, система Бриттона наиболее удобна. Два паруса сшиты вместе по передним шкаторинам и закручиваются вместе; закрутка была установлена посередине палубы на 1/3 расстояния от мачты до штевня. Этого было достаточно, чтобы не мешать идти в бейдевинд под генуей.
Единственным необходимым бегучим такелажем были два браса, проходящие через шкивы на концах гиков. С описанными выше «самоукладывающимися» гиками процедура постановки двойных парусов состояла в том, чтобы опустить гики в рабочее положение, отпустить линь закрутки и выбрать брасы (рис. 3-18). При усилении ветра паруса было легко уменьшить, скручивая по мере необходимости.
Рис. 3-18. Delight со скрученными и с расправленными двойными парусами.
Альтернативный способ увеличения парусности в слабый ветер на фордевинде применял John Guzzwell (см. Trekka Round the World, Adlard Coles, London, 1959). На 20-фт иоле Trekka над двойными парусами иногда ставили спинакер-парашют. Его топовый угол поднимался к топу мачты, а два шкота проходили через блоки на концах гиков двойных парусов (рис. 3-19). Как и при обычном несении спинакера, он раздувался впереди, обеспечивая гораздо большую парусность, чем любые треугольные паруса на рангоуте, к тому же высоко, где ветер сильнее.
Благодаря спинакеру Guzzwell очень хорошо шел в пассатах, имея небольшие двойные паруса. Подруливание со спинакером и без него ничем не отличалось.
Рис. 3-19. Trekka под двойными парусами и стоящим впереди них спинакером.
Даже если бы двойные паруса не обеспечивали автоматического подруливания, они могли бы применяться при фордевинде. С ними не может произойти непроизвольный поворот фордевинд, а это наш дамоклов меч, висящий над яхтсменами с тех пор, как завоевали господство косые паруса.
Но подруливание достигается здесь просто проводкой брасов к румпелю (рис. 3-20). Когда яхта отклоняется от фордевинда, тот парус, который стал наветренным, тянет сильнее и поворачивает румпель, возвращая яхту на курс. Но бывают значительные различия в том, насколько точно держит яхта курс по ветру.
Рис. 3-20. Подруливание с двойными парусами на фордевинде.
Большинство яхтсменов, использовавших двойные паруса, сообщали о сильной качке, а это означает, что имело место быстрое колебание крутящего момента рыскания (от пары сил тяга – сопротивление). Система подруливания должна все время работать, чтобы успеть парировать эти колебания. При этом трение в тяжело нагруженных блоках проводки брасов может стать проблемой.
Я замечал, что при усилении ветра, когда надежность подруливания ухудшается, можно быстро улучшить ситуацию, ослабив брасы. Это несколько уменьшит тягу и снизит трение.
При симметричной парусности и оснастке яхта будет двигаться прямо по ветру независимо от его силы вплоть до того момента, когда окажется перегруженной парусами. Однако, уже небольшая асимметрия окажет заметное влияние. Если для брасов используются концы из разных веревок, или паруса имеют немного разную площадь, или блоки на корме стоят несимметрично, или даже брасы привязаны неодинаково –- все это сделает курс яхты чувствительным к силе ветра. Возможно, избежать этого поможет правильно подобранная резинка с одного из бортов.
Немного подтянув один брас и ослабив другой, можно намеренно создать асимметрию, при которой яхта пойдет не чистым фордевиндом, а приведется до полного бакштага. На какой именно угол, сильно зависит от конкретной яхты и работы системы подруливания. Иногда всего на пару румбов от фордевинда (один румб –- 1/32 часть окружности, или 11,25°), редко более чем на 4 румба. Это по вымпельному ветру; по отношению к истинному диапазон будет еще меньше.
Оснащая в 1963 г. Island Girl двойными парусами, я не думал о закрутках, а использовал относительно простую систему, разработанную T.C. Worth для Beyond. Гики подвешивались на карданных шарнирах около краспиц и в нерабочем положении привязывались к нижним вантам. При 3-метровых гиках и высоте подъема 7,6 м пара больших двойных парусов имела площадь 23 м2, что немного превышало лавировочную парусность.
Паруса были сшиты из нейлона для спинакеров и обшиты по шкаторинам дакроновыми лентами с 8-мм шнурами для лучшей поддержки гиков. Малый комплект двойных парусов я сшил из плотного нейлона, который шел на мешки для хранения парусов, их площадь была 14 м2. По передней шкаторине проходил трос, по остальным 8-мм шнуры. Паруса были скроены плоскими, кроить их с определенной формой нет необходимости.
Каждый парус можно было ставить на собственном штаге, но карабины двух парусов смещены относительно друг друга, чтобы при необходимости использовать один общий штаг. Поднимались оба паруса вместе стаксель-фалом, на гиках не было других снастей, кроме брасов. Брасы оставались проведенными в блоки на корме все время плавания. На практике такое вооружение оказалось удобным и эффективным.
Двойные паруса для фордевинда –- прекрасное стабильное вооружение для плавания с попутным ветром.
Брасы для облегчения работы проведены на шкотовые лебедки (см. рис. 3-24). Отдавая и выбирая брасы противоположных бортов на несколько дюймов, удавалось менять курс на румб;
вымпельный ветер менялся при этом на четыре румба.
(Фото Warren Roll, предоставлено Yachting).
Вдвоем для приведения двойных парусов в рабочее положение нам требовалось только 5-10 минут (один из нас работал на руле, направляя яхту по ветру). Поэтому двойные паруса оказались полезны не только в пассатах, но и всегда, когда мы получали ветер в корму. Иногда мы меняли основные паруса на двойные и обратно несколько раз в день. При этом мы даже не упускали ветер, так как поднимали двойные паруса перед тем, как опустить грот –- и наоборот.
В одиночку суеты было куда больше. Как только опускался стаксель, яхта не могла держаться на курсе, поэтому я спускал все паруса. Потом она попадала в ложбину волны и начинала сильно раскачиваться, а подготовленные двойные паруса норовили улететь с бушприта и палубы под ветер. Когда все было готово, я брал в руки фал, шел на корму и разворачивал лодку по ветру, сжимая коленями румпель и одновременно выбирая фал. После нескольких «тренировок» вся процедура стала занимать 15-20 минут.
Постановка двойных парусов в одиночку была сложной задачей, так как яхта не могла сама идти по ветру, а паруса пытались слететь с палубы или запутаться. Лучшее, что я смог придумать –- заранее провести брасы к румпелю
(рис. 3-20 или 3-21), взять фал и, перейдя в кокпит, понемногу поднимать паруса, выруливая по ветру.
(Фото Warren Roll, предоставлено Yachting).
Aleutka под старым двойным парусом Island Girl. На нее можно было ставить и большую пару, но и эти паруса много дней обеспечивали нам суточный пробег 120 миль и больше. Часто мы оставляли под «близнецами» стаксель на внутреннем штаге, так как было похоже, что он помогает увеличить возможный угол отхода от чистого фордевинда.
(Фото Patricia Letcher).
Двойные паруса удовлетворительно подруливали обеими нашими яхтами, Island Girl и Aleutka, до тех пор, пока ветер не становился сильным. Большие паруса следовало спускать примерно при четырех баллах, а малые мы, бывало, много часов несли и при шести. При таких условиях в разгулявшемся море яхта иногда порывалась свалиться в брочинг, несколько секунд подветренный парус с грохотом полоскался, но она тут же выправлялась и снова бежала вперед. Для попутного ветра это вооружение было лучше любого другого.
Достаточно было вытравить один из брасов на 1-2 дюйма и так же подобрать другой, как яхта меняла курс на румб. В умеренный ветер яхта хорошо шла с вымпельным ветром на 4 румба за кормовой четвертью. (Видимо, этому помогал оставленный на внутреннем штаге стаксель с превентером). Но при этом росли нагрузка на наветренный гик и тенденция к брочингу, поэтому при сильном ветре лучше идти полнее, чем далеко отпускать гик.
Единственная поломка с этим вооружением произошла при шквале на 23-й день перехода Island Girl на Гавайи. Я привык к пассату и хорошей погоде, перемежающейся короткими шквалами с дождем и более свежим ветром, поэтому не обратил внимание на тучи, собравшиеся к обеду с наветра. Были подняты большие «близнецы», а я занимался подготовкой проводки брасов на лебедки для облегчения настройки (рис. 3-21).
Рис. 3-21. Проводка брасов на Island Girl.
Шквал ударил с такой яростью, что Island Girl оседлала волну и бешено понеслась вниз, повиснув на грани катастрофического брочинга. Я выбрался наружу и схватился за румпель. Следующие несколько минут руль был настолько тяжелым, что не было никаких шансов броситься вперед к фалу и сбросить паруса, я смог только максимально ослабить брасы. Яростный ветер продолжал нас давить, в конце концов лодку бросило в брочинг, и наветренный гик переломился о штаг.
После этого я ставил в основном маленькие паруса, а большие приберегал до тех пор, пока установится погода с легкими ветрами. Следовало бы сказать, что фалы надо провести к рулю, чтобы при одиночном плавании они были в пределах досягаемости… но я себя этим не утруждал. В кокпите и без фалов всего достаточно.
Гик был починен, и мы побежали дальше, к довольно драматичной высадке на берег у высокого вулкана Халеакала в сумерках двадцать девятого дня. В последний день плавания система подруливания работать не смогла, так как пассат стал слишком силен. Целые сутки пришлось идти под очень маленькими парусами и рулить вручную. Все запланированные и отложенные на последний день усовершенствования пошли прахом.
Мы вошли в марину Гонолулу после наступления темноты на тридцатый день. Я был небритым, нестриженым, немытым, усталым и обветренным, как и подобает мореходу-одиночнику.
Выше я подчеркивал возможность сборки всей нужной оснастки из запасных частей, но, конечно, если вы планируете постоянно использовать подруливание, лучше подготовить все заранее. Единственным постоянным оборудованием, которое я установил на Island Girl и Aleutka, был штифт, проходящий через румпель примерно в 15 см от конца, чтобы облегчить привязку там тросов, и клиновой стопор для 8-мм концов.
Для работы с двойными парусами понадобится пара хороших больших блоков, которые ставятся так, чтобы проведенные через них брасы свободно шли к румпелю; эти блоки пригодятся и для других схем подруливания. На Island Girl блоки крепились скобами, продетыми в кормовые швартовочные утки; на Aleutka оказалось удобно использовать уключины по сторонам кокпита. Они вставлялись на свои места, и блоки крепились скобами к кольцам.
Что касается съемной оснастки, полезно запастись имуществом, показанным на рис. 3-22: несколькими одношкивными блоками с концами метра по полтора и стропкой с двумя-тремя резинками, снабженными колечками для надевания на румпель. Она предохранит резинки от случайной потери (и поможет подобрать тягу резинки, если заготовить несколько с разной длиной и упругостью).
Рис. 3-22. Детали оснастки для подруливания шкотами.
По поводу «спецтехники» есть еще два предложения, которые не проходили проверку на практике, поэтому выдвигаются только как идеи.
Штурвальное управление, казалось бы, по определению исключает привязку шкота к румпелю. Конечно, яхты со штурвалами часто имеют аварийный румпель, но устанавливать его каждый раз, когда понадобилось подруливание, было бы неудобно. Вполне возможно, будет достаточно прикрепить шкот и резинки к соответствующим точкам обода или спиц колеса. Если поворот штурвала мал, можно использовать барабан на ступице или на оси.
Вторая идея касается стакселей и, возможно, «близнецов» на яхтах длиной более чем 30 фт (9 м), у которых натяжение шкота слишком велико, чтобы его можно было использовать непосредственно для подруливания. Такие яхты всегда имеют шкотовые лебедки, их и предлагается использовать для получения пригодного для передачи на румпель усилия.
Для этого лебедку надо установить не как обычно, на палубу или комингс кокпита, а на поворотное основание с рычагом, плечо которого можно регулировать (рис. 3-23). Чем ближе лебедка будет находиться к оси поворота основания, тем больше будет ослабление передаваемого усилия. Основание и узел поворота должны быть установлены столь же надежно, как сама лебедка; при этом поворот должен быть легким, с минимальным трением.
Такой способ мог бы быть лучше, чем реверсивная таль с несколькими блоками.
Рис. 3-22. Установка лебедки для снижения усилия подруливания.
Чтобы избежать серьезных переделок, для той же цели можно использовать съемное устройство, надеваемое на шкот (рис. 3-24). Плечо изогнутой части шкота в разы меньше длины рычага, что и обеспечивает снижение передаваемого на румпель усилия.
Рис. 3-24. Съемное рычажное устройство для отбора части силы тяги шкота.
Плавание на Гавайи положило начало целому ряду дальних океанских переходов на малых яхтах, общая протяженность которых сейчас более 25000 миль. Во время большинства из этих плаваний у меня на борту не было специальных флюгерных авторулевых. Вместо этого я полагался на описанные выше способы подруливания шкотами, и эти системы управляли яхтами 95% времени, причем очень редко их работа сопровождалась хотя бы некоторой потерей скорости или отклонением от генерального курса.
Я не связываю успешную работу подруливания с какими-то характеристиками яхт. Обе они были маленькими, легкими, одномачтовыми, с коротким килем, не очень-то хорошо сбалансированными при крене и слегка кренившимися большую часть времени. Вместо этого я пришел к заключению, что в большинстве условий система подруливания шкот-румпель может удовлетворительно управлять любой яхтой небольшого размера.
Не утверждаю, что все, что вам нужно — воспроизвести одну из приведенных выше схем, и можно отправляться в океан вслед за закатом. Возможно, какие-то варианты заработают на вашей яхте точно так как были изображены. Думаю, что с какими-то небольшими изменениями механических характеристик передачи усилия будет работать большинство схем. Но и при этом успешная работа на конкретной лодке требует периода экспериментов для каждой комбинации парусов в каждом режиме плавания. Вероятно, это потребует терпения, а иногда и изобретательности.
Когда приходилось управлять яхтой вручную, я всегда проводил время на руле, пытаясь научить яхту управляться самостоятельно, и почти всегда через некоторое время эти усилия вознаграждались.
Увы, такая возможность не кажется общеизвестной. Обычно яхтсмены считают подруливание шкотом неким специфическим и редким случаем, сильно зависящим от конкретных качеств корпуса и вооружения. Вот и звучит рефреном в отчетах о путешествиях и яхтенных журналах:
...На пятую ночь ветровой авторулевой сломался, и все наши попытки починить его не увенчались успехом. Пришлось установить вахты и стоять их оставшуюся часть пути.
Как будто ручное управление было единственной альтернативой авторулевому!
Принимая во внимание надежность авторулевых, опыты с подруливанием шкотами надо включать в подготовку к любому длительному переходу. Усвоить принципы и опробовать несколько полезных приемов лучше до того, как в этом возникнет реальная необходимость. Все, что для этого требуется, кроме запасных блоков и веревок — это какая-то резинка. И, как и во всех научных экспериментах, имеет смысл вести подробные записи, которые будут храниться на борту и помогут в будущем.
Оглядываясь назад на все рассмотренные системы управления яхтой с помощью тяги шкотов, выделим следующие общие черты:
Если ничего не получается, не сдавайтесь, а постарайтесь разобраться, почему система не работает. Несомненно, в голову придет идея, как сделать систему получше.
Флюгерные устройства начали использовать для управления моделями яхт не меньше полувека назад, а в 1936 г. Marin-Marie использовал флюгерный авторулевой в трансатлантическом переходе на моторной яхте Arielle. Видимо, на парусной яхте такое устройство впервые использовал в 1955 г. Ian Major для пересечения Атлантики на Buttercup. Michael Henderson сделал флюгерный автомат другого типа для Mick the Miller и одержал победу в Junior Offshore Group championship racing. Этот успех открыл двери для последовавшего с тех пор развития таких устройств.
Нам придется проследить немалый путь этого развития, прежде чем на нем обнаружится что-то получше, чем было на Mick. Достижения Хендерсона на этом раннем этапе действительно впечатляют, прошедшие 20 лет не сделали его авторулевой устаревшим. Для тех читателей, кто незнаком с принципами работы флюгерных авторулевых, это простое и элегантное устройство послужит введением в тему (рис. 4-1).
Флюгер был сделан из листа тонкой фанеры и мог свободно поворачиваться по ветру. После включения сцепления (так фиксировался выбранный курс относительно ветра) флюгер начинал рычагом поворачивать дополнительный руль, при этом соединение рычагов реверсировало направление поворота. Развиваемого флюгером усилия не хватило бы для поворота даже маленького руля, но руль был балансирным (часть площади пера руля находится перед осью вращения), так что требовалось преодолеть лишь трение в подшипниках.
Рис. 4-1. Авторулевой яхты Mick the Miller, изобретенный Мишелем Хендерсоном в 1955 г.
Когда яхта устойчиво шла нужным курсом, ее основной руль закрепляли. После включения сцепления установившийся по ветру флюгер оказывался связан с дополнительным рулем (рис. 4-2; на рисунках ниже флюгер и перо руля условно показаны прямоугольниками). Теперь в случае ухода с курса вправо сохраняющий положение по ветру флюгер поворачивал перо руля влево и наоборот. Яхта возвращалась на курс (рис. 4-3).
Рис. 4-2. Яхта идет нужным курсом, флюгер подключен.
Рис. 4-3. При отклонении от курса сохраняющий свое положение по ветру флюгер возвращает яхту на курс.
Таким образом, флюгерный авторулевой держит курс таким, чтобы его флюгер всегда был направлен по ветру, т.е. правит по ветру.
Принцип выглядит очень привлекательно даже для того, кто освоил все варианты подруливания с помощью шкотов. Подумать только, как было бы здорово, если бы яхта держала курс и при рифлении грота, и при постановке двойных парусов (Впрочем, от них можно было бы и отказаться), и со стакселем, и под спинакером. Так как настраивается авторулевой быстро и независимо от парусов, его можно использовать и для небольших прибрежных переходов, когда настройка управления шкотами часто не оправдывается.
Главный довод в пользу флюгера — он будет работать, например, в свежий ветер на бакштаге под одним стакселем. Руль при этом легкий, управлять яхтой легко, но когда ни одна из схем подруливания шкотами не работает.
Тем не менее, я сопротивлялся сколько мог, понимая, что нужно специальное оборудование, которое может сломаться, а я вряд ли смогу починить его на борту. Простые вещи, такие как блоки и веревки, вызывают больше доверия. Когда мы идем вдвоем, один всегда может посидеть на руле во время смены парусов, а в крайнем случае можно идти и вахтами.
После недавнего плавания вдоль западного побережья мое мнение изменилось. Мы с Пати отправились на нашей 25-фт Aleutka с острова Ванкувер в Сан-Франциско. Пройдя мыс Мендосино, мы получили крепкий северный ветер, который, похоже, тут и живет: мне не разу не удавалось пройти мимо этих берегов, не поймав его. О нем сообщали также все яхтсмены, проходившие здесь летом или осенью. Сила ветра была 6-7 баллов, но для нас это был шторм. Две ночи мы пролежали в дрейфе со спущенными парусами, а днем мчались с некоторым волнением под стакселем площадью около 3,7 м2.
В течение дня в Сан-Франциско пришли еще две яхты, побывавшие в этом шторме. Одна из них, кеч Tahiti, ночью также ложилась в дрейф без плавучего якоря, задраившись и положив руль на ветер. И... была перевернута! Возможно, нам просто больше повезло, ведь никогда не знаешь, какая волна сможет перевернуть яхту. Мы не думали, что в этот ветер может дойти до такого, иначе не ложились бы в дрейф, а убегали под голым рангоутом. Но ночная вахта на руле в такую погоду сильно выматывает, а ведь шторм мог длиться и несколько дней. Тогда волей-неволей пришлось бы ложиться в дрейф.
Вторая яхта, 28-фт тендер We're Here Too с экипажем из Irwin и Grace Giroux, совершившими на этой лодке много успешных плаваний по Тихому океану. Ирвин недавно установил самодельный флюгерный авторулевой. Он находился еще в стадии экспериментов и обкатки, тем не менее оказался в состоянии успешно вести убегавшую от шторма яхту под рангоутом. Экипаж провел все время в каюте, какое-то время они могли поспать; волны при этом по палубе не гуляли.
Звучало просто отлично. Не считаю, что это лучшее решение для штормования, но стало ясно, что флюгерный авторулевой достаточно хорош для работы в штормовых условиях и может снять с экипажа напряжение. Во всяком случае, для маленького экипажа или одиночника это лучше изматывающего дрейфа под рангоутом. В конце концов я пришел к выводу, что следует попробовать флюгерную механику. Возможно, теперь и вы об этом думаете. Как будем действовать?
Занимаясь подруливанием с помощью тяги шкотов, с этой проблемой мы не сталкивались. Усилия на шкотах всегда было достаточно, чтобы повернуть румпель, а иногда его приходилось даже уменьшать. В свою очередь, поворот руля всегда позволял изменить курс (в противном случае яхте был бы нужен руль большей площади). Но если мы попытаемся создать такое же усилие на руле с помощью флюгера, площадь которого составляет лишь крошечную часть площади парусов, все шансы за то, что ничего не получится.
На острых курсах, когда яхта сама по себе обладает устойчивостью на курсе, подруливание требует лишь небольших усилий, а вот для полных курсов и фордевинда парирование рулем отклонений от курса потребует больших усилий на румпеле и мощности подруливающего устройства. В бурном море на руле нужно еще больше сил. До какого же предела? Все мы по опыту знаем, что при крепнущем ветре приходится уменьшать парусность, в том числе и потому, что у рулевого не хватает сил, чтобы удержать яхту от брочинга.
Так насколько мощным должно быть устройство для подруливания? Это один из главных вопросов, которые должен задать себе проектировщик. Ясно, что в умеренные ветра авторулевой должен уверенно держать идущую под всеми парусами яхту на любом курсе. Чем при более сильном ветре сохранится такая возможность, тем лучше, но тем более прочным и тяжелым, а также сложным по своей механике получится устройство.
Подруливающая система должна откликаться уже на небольшие изменения направления вымпельного ветра. Между тем в механических устройствах всегда есть трение, а эта зверушка любит погрызть чувствительность. Работа тренияособенно заметна при слабых ветрах, поскольку вес и размеры деталей устройства постоянны, а вот аэродинамические силы падают до минимума.
Обычно большая часть долгого плавания проходит при легких ветрах, когда управлять рулем вручную легко, но неинтересно. Конечно, чем при более слабых ветрах флюгерный авторулевой еще будет способен работать, тем больше пользы он принесет. Но повышение чувствительности требует большого крыла флюгера, более легких и качественных подшипников и т.д.
Конечно, механизм флюгерного управления стараются сделать попроще. Если предусмотрен дополнительный (вспомогательный) руль, его рассматривают именно в таком качестве, как не требующий такой же прочности и таких же мощных креплений, как основной руль яхты. Флюгер и механические звенья проектируются на берегу тихим вечером, и голову конструктора не посещает мысль о том, что сделает со всем этим всего лишь один гребень волны, обрушившейся на корму. Во множестве описаний плаваний сообщалось о полном выходе из строя авторулевого всего через несколько дней после выхода из порта. Причинами могли быть усталость металла, коррозия, обрастание и загрязнение, какие-то непредвиденные небольшие поломки, которые не было возможности исправить.
Пытаться сделать механизм прочнее, а крыло меньше — означает войти в противоречие с требованиями по мощности и чувствительности устройства. Остается положиться на хорошую инженерную практику: использование качественных материалов, грамотное и тщательное конструирование, предвидение нештатных ситуаций с запроектными нагрузками. Это не значит, что спроектировать и изготовить авторулевой сможет только квалифицированный инженер. Некоторые из лучших виденных мной авторулевых были сделаны в гаражных условиях людьми, имеющими такие же познания в инженерии, как я в богословии. Но у них был большой опыт в части яхт и навыков работы, они понимали, чего хотят добиться, и они добивались успеха.
Более тонкой причиной неудач многих авторулевых является плохая стабильность курса. Проектируя авторулевой, следует предполагать, что условия его работы будут неидеальны: ветер неровный, меняющийся и по силе, и по направлению. Понятно, что от любой системы, использующей направление ветра как опорное, невозможно ожидать следования по компасному курсу. Но это нисколько не извиняет сильное рыскание яхты, очень часто свойственное флюгерным авторулевым, особенно на полных курсах.
При испытаниях в прибрежных водах, где ветер обычно менее ровный, чем в открытом море, колдунчики покажут, уверенно ли авторулевой держит курс по отношению к вымпельному ветру или происходят заметные колебания в стороны от желаемого курса. Колебания часто связаны с «переруливанием», когда при каждом повороте яхта уходит с курса в противоположную сторону. Рыскание может зайти так далеко, что яхта сделает поворот оверштаг или фордевинд. Даже мощные и чувствительные системы могут оказаться из-за переруливания совершенно неработоспособны.
Причина переруливания может быть как достаточно простой — трение и люфты в механизме, так и весьма сложной, включающей не только тип и характеристики авторулевого, но и инерцию яхты и деталей механизма, гидродинамические свойства и распределение масс корпуса. Иногда для устранения колебаний бывает достаточно уменьшить крыло флюгера; во многих авторулевых для уменьшения колебаний предусмотрена регулировка передаточного отношения связи флюгер – перо руля, но это не очень надежные и желательные пути решения проблемы. Подавить колебания курса, сохранив при этом мощность и чувствительность, удается с помощью регулировки обратной связи.
Мощность, чувствительность, надежность, стабильность курса — это весь список того, что требуется от авторулевого? Если бы... Продолжить можно так:
Было бы заманчиво включить в список и простоту, ведь в нашем представлении простота связана с надежностью. «Сделайте это проще!» — такой совет снова и снова приходится слышать от самых опытных мореплавателей, и это хороший совет. Однако, простота не является необходимым условием для достижения надежности. Нас окружает множество удивительно сложных машин и устройств с десятками и сотнями взаимодействующих частей, и мы принимаем как должное их безупречную работу в течение многих месяцев и лет. Это и радио, и хронометр, и пишущая машинка. За их надежность уплачено тщательной разработкой и высоким качеством изготовления.
Простота устройства лишь облегчает достижение надежности. Каждая включаемая в механизм деталь будет взаимодействовать с остальными, это необходимо рассмотреть. И каждая деталь может сломаться, причем обычно несколькими способами.
Разработка флюгерных авторулевых, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям — богатое поле для экспериментирования и непростая задача, привлекавшая много светлых голов. Пожалуй, между крейсерскими яхтами существует не меньше различий, чем между людьми. Вариации корпусов, вооружения и оборудования требуют различных решений для каждого конкретного случая, в результате разнообразие различных флюгерных автопилотов просто головокружительно. Даже трудно решить, с какого варианта начать их рассматривать, чтобы выбрать подходящий.
Мы начнем с того, что выделим в конструкциях автопилотов три общих для всех устройств функциональных компонента; тут-то и окажется, что для каждого из них существует совсем немного отличающихся видов.
Итак:
Все вместе это и составляет тот или иной авторулевой. Не думаю, что найдется конструкция, в которой нельзя было бы выделить такие части. С помощью сделанного разбиения мы разделяем одну большую конструкторскую задачу на две поменьше: флюгер и руль. Что же касается передачи, эта часть зависит от выбора руля и флюгера, но для нее имеется большая свобода в выборе решения, которое может быть применено к разным типам флюгеров и рулей. Мой учитель, Фриц Цвикки, рассмотрел бы морфологический ящик...
Википедия (англ.)
...и показал, что 4 вида флюгеров, 7 видов передач и 5 видов рулей дают 140 комбинаций для разработки авторулевых.
Например:
Большинство этих принципиально возможных вариантов никогда не были изготовлены и испытаны.
Понимание концепции функциональных частей приводит нас к вопросу: какая же из частей наиболее важна или критична для всего устройства? Ясно, что для получения нужного результата все части должны работать вместе. Но, по-моему, рассмотрение и работу логично начать с руля. Не зря ведь self-steering дословно означает само-руление. Если исполнительная часть авторулевого неадекватна, никакие улучшения и усовершенствования флюгера и передачи не помогут получить желаемый результат.
Так как руль находится под водой, эта часть авторулевого наиболее трудна для установки, внесения изменений и ремонта. Вместе с тем при достаточной мощности рулевого управления с остальной системой можно проводить любые эксперименты и модификации. Эти доводы говорят, что проектирование, а затем изготовление и установку лучше начинать с руля.
Разумеется, перед тем, как начинать какие-либо работы, следует обдумать конструкцию всего устройства, в том числе и альтернативные варианты передачи и флюгера. Но перед тем, как браться за воплощение в металле этих частей, есть смысл сделать, подержать в руках и установить на лодку руль. Получился ли он достаточным он для подруливания? Как обстоят дела с балансом и трением? Ответы на эти вопросы позволят уточнить требования к флюгеру и передаче.
Кроме того, перед изготовлением компонентов авторулевого в их окончательном виде логично и желательно сначала сделать облегченный макет из дешевых материалов. Проект можно будет проверить на практике и улучшить, не вкладывая сразу много средств и сил в готовое устройство. Что касается передачи, для пробного варианта следует использовать такие же подшипники, как в проекте. Лишь немного повышенное трение может привести к неверным заключениям о качестве и работоспособности конструкции. Если ваш проект предусматривает установку шарикоподшипников, можно взять незащищенные из простой стали, которые начнут ржаветь уже через день — но это должны быть шарикоподшипники.
...оно пойдет не так! Ничего не поделаешь, закон Мэрфи — хорошая формула здорового пессимизма. Такое отношение достойно культивирования каждым, кто хочет выйти в море, поскольку оно поощряет дальновидность и готовность к неприятностям, а также смягчает разочарование. К флюгерным авторулевым закон Мэрфи применим в полной мере. Самый важный урок, который мы можем извлечь из опыта множества океанских плаваний, в которых использовались эти агрегаты — что угодно может пойти не так и действительно идет не так. По сравнению с другим оборудованием крейсерской яхты флюгерный авторулевой обычно является устройством более деликатным и подверженным различным повреждениям.
Приобрели ли вы готовый авторулевой или сделали его сами, вы должны убедить себя, что это вовсе не игрушка, а неотъемлемая часть яхты. А значит, необходимо обдумать возможные в связи с ней происшествия:
Думаю, теперь читатель оценил сделанное в начале книги утверждение, что «достичь хорошей работы флюгерного авторулевого не так легко, как кажется». Ключевое слово здесь хорошей. Мы видим, что требований для достижения хорошей работы много, и угроз для этого много — перспектива кажется обескураживающей. Наверное, ни один из случаев установки этих устройств не является идеальным во всех отношениях. Что ж, каждый может сам поторговаться с чертенком, нашептывающим, что «и так сойдет».
На рынке представлен ряд моделей авторулевых заводского изготовления, некоторые из них получили убедительные положительные отзывы яхтсменов, успешно пересекавших океаны (неполный список производителей авторулевых приведен в приложении). Каждое устройство поставляется в комплекте с монтажной арматурой, позволяющей установить его на возможно большее число различных яхт, так что наверняка хотя бы одна из готовых моделей подойдет и для установки на вашу яхту. Насколько удовлетворительной будет установка и какова будет ее цена, сказать труднее.
Будет правильно подвергнуть намеченные варианты инженерному анализу, приняв во внимание размер, балансировку, трение, качество конструирования, запас прочности. Еще один неплохой метод оценки — организовать «тест-драйв» на яхте, по возможности подобной вашей. Пусть он и не даст полной уверенности, поскольку работа авторулевого сильно зависит от характеристик конкретной лодки, но это лучше, чем довольствоваться информацией, полученной на берегу. К последней я отношусь скептически.
Помните, будет больно признаться себе в наивности, выбросив на ветер много времени и денег. Ответ на ваш вопрос — Как это работает? — всегда будет: — Великолепно! Но стоит копнуть поглубже и задать специфические вопросы, как может оказаться, например, что на фордевинде устройство не будет работать, пока не убрать грот, или не держит яхту на бейдевинде при ветре сильнее 15 узлов и т. д. и т. п.
Ценовой диапазон авторулевых составляет примерно от 200 до более чем 2000 долларов. Столь сильный разброс отражает разницу в сложности устройств и качестве конструкции, материалов и изготовления. Кроме того, разные цены на похожие устройства могут быть связаны с конкуренцией на этом весьма узком рынке. Естественно, большинство авторулевых могли бы стоить намного дешевле, если бы спрос на них был массовым и стоимость подготовки производства распределялась на сотни или тысячи единиц продукции. Может быть, если авторулевые станут обычным оборудованием крейсерских яхт, мы и доживем до этого.
Стоимость работ по установке, если не делать ее самостоятельно, находится примерно в том же диапазоне. Цена и вопрос, стоит ли браться за эту работу самому, зависят от того, насколько легко приспособить устройство к конкретной яхте, подробны ли предоставляемые инструкции, каковы ваши навыки и какие переделки потребуются на самой яхте. Выбирая авторулевой, принимайте во внимание и стоимость его установки.
Сам я склоняюсь к тому, что любой яхтсмен, разбирающийся в яхтах и имеющий достаточные навыки механических работ, в состоянии самостоятельно сделать авторулевой, приспособленный именно к своей лодке. Результаты будут не хуже, чем для коммерческих моделей; кроме того, работа принесет большое удовлетворение. Но это не такое дело, которое можно отложить на последнюю неделю перед отплытием. На свой первый авторулевой я потратил просто постыдное количество времени. Первое успешно заработавшее реальное изделие потребовало на все про все (проектирование, изготовление и установку) 175 часов работы. Это более чем восьмая часть времени, ушедшего на проектирование и постройку всей яхты! Надеюсь, с помощью этой главы вы сумеете справиться получше, но в любом случае это не такой проект, к которому можно отнестись легкомысленно.
Возникает проблема...
Читатель решил сделать свой собственный авторулевой и открыл эту книгу, рассчитывая почерпнуть из нее практические советы. А тут я, автор, вооружился красивой теорией производительности ветрового автоматического управления и веду ученые беседы на языке дифференциальных уравнений и эзотерических символов теоретической аэродинамики. На каком же уровне нам повстречаться? Ей-богу, я не жду, что хоть один моряк из сотни окажется сведущ в дифференциальном исчислении. Но вот остальные 99, увидев хоть одно уравнение, тут же захлопнут книгу и сунут ее обратно в шкаф (в лучшем случае). Так что с дифференциальными уравнениями — мимо. Не беспокойтесь, тут не будет ни одного (а кому они по душе, потерпите, будет и статья в техническом журнале).
С другой стороны, есть резон считать, что яхтсмен хочет ясно понимать, как устроено и работает такое важное для него и яхты устройство, как авторулевой. Правильный выбор можно сделать только осознанно, а практику много раз предстоит делать тот или иной выбор при проектировании устройства, его изготовлении, использовании, ремонтах и усовершенствовании. Моя задача в том, чтобы решить, какая порция теории будет полезна, и перевести эту теорию на обычный язык.
Конечно, можно обойтись и вообще без теории. Сомневаюсь, что Марин-Мари, Хендерсон, Мэйджер или Хаслер обращались к уравнениям, когда делали свои оригинальные авторулевые. То же самое можно сказать о многих областях развития техники, в которых опытное, эмпирическое развитие опередило теоретическое понимание. Но когда наконец появляется удовлетворительная теория, она дает новую, логичную организацию всему накопленному в данной области массиву знаний, объясняет парадоксы и разрешает противоречия между результатами экспериментов, предлагает методики для достижения оптимальных результатов, а часто открывает новые направления развития.
В следующих четырех главах я попытаюсь объяснить работу флюгерных авторулевых обычным языком яхтсмена-практика. Будут и вычисления, но самые простые и с конкретными примерами. Для тех, кто вообще не хотел бы заниматься расчетами, в заключительной главе 9 приводятся готовые инструкции, описывающие соотношения и пропорции элементов пяти авторулевых разных систем.
Надеюсь, весь этот материал повысит ваши шансы оснастить свою яхту авторулевым.
Думаю, что следует сделать предостережение в отношении патентов. Возможно, многие особенности различных флюгерных авторулевых запантентованы в различных странах, но информации на этот счет у меня нет. Пока патент действует, только изобретатель имеет право выпускать изобретенное им и описанное в патенте устройство; использование изобретения без лицензии считается гражданским правонарушением. Принято считать, что патент ограничивает только право коммерческого использования, т. е. продажи изобретения, а если вы сами сделали для себя нечто запатентованное, то все в порядке. Но закон этого не говорит.
С практической точки зрения кажется крайне маловероятным, чтобы держатель патента счел разумной идею подать иск против кого-то, сделавшего для себя экземпляр устройства, имеющего описанные в патенте признаки.
Мое отношение к патентам несколько двусмысленно. С одной стороны, я понимаю, что мои собственные успешные эксперименты с авторулевыми были бы серьезно затруднены в определенных частях (например, использование дифференциальной передачи с триммерами, флюгеры с горизонтальной осью), если бы некоторые патентоспособные решения были действительно запатентованы. Нет сомнений, что развитие этой области шло гораздо быстрее, чем если бы в ней действовали ограничения многочисленных патентов. Покупатели авторулевых фабричного производства только выиграли от конкуренции нескольких компаний, появившейся благодаря тому, что полковник Хаслер не стал патентовать свой первый сервомаятник. В этой книге тоже есть, пожалуй, штук пять патентоспособных идей — но я думаю, что для них будет лучше свободное плавание в качестве общественного достояния (public domain).
Но, если бы мне пришла в голову новая идея с хорошими коммерческими перспективами, полагаю, я взял бы патент на изобретение и счел бы прибыль и защиту от конкурентов справедливой наградой за те годы, которые я потратил, работая над системами автоматического управления яхтами.
Как упоминалось выше, под рулем здесь имеется в виду исполнительный механизм авторулевого, его часть, непосредственно влияющая на курс яхты. Это практически всегда погруженное в воду некое перо руля, гидрокрыло (иногда не единственное).
Главное требование к рулю — достаточная мощность, чтобы он был способен выполнять свою работу. Другие требования: небольшая сила или крутящий момент, достаточные для приведения в действие, поскольку флюгер не может быть большим; прочность, долговечность и защита от случайных повреждений на уровне, близком к основному рулю яхты.
Основной руль, которым яхта оборудована для ручного управления, достаточно велик и прочен, чтобы выполнять свою задачу. Можно было бы использовать его и в качестве руля для авторулевого, понятны преимущества такого решения: не нужны дополнительные движущиеся части, под водой нет ничего лишнего. К сожалению, трение и балансировка делают большинство яхтенных рулей непригодными для этой цели. Необходимые для удержания яхты на курсе или активного маневрирования силы на руле слишком велики, чтобы их источником мог быть небольшой флюгер. Типичный руль навешивается сзади на киль или отдельный плавник, или на транец яхты и не имеет балансировки — вся его площадь находится позади оси вращения, и для поворота руля нужен значительный крутящий момент. Кинжальные рули часто делают балансирными, но у них свои недостатки: при консольном креплении рулевые подшипники испытывают большие нагрузки, что вызывает повышенное трение; если есть уплотнение баллера, трение при повороте руля еще больше.
Ни одна из этих проблем не принципиальна: руль может быть закреплен в своей верхней и нижней части и быть при этом балансирным; кинжальный руль может вращаться в шариковых или роликовых подшипниках в гельмпортовой трубе без сальникового уплотнения (рис. 5-1). Возможно, это неплохие идеи... для постройки новой яхты. Пока что яхты с подобными рулями мне не встречались.
Рис. 5-1. Балансирные рули с низким трением.
Если флюгер не справится с основным рулем яхты, надо спроектировать вспомогательный руль, способный выполнить эту задачу. Либо самостоятельно, либо вместе с основным рулем. Для этого не обойтись без понимания работы погруженного в воду крыла. Заодно мы рассмотрим и воздушные крылья, так как при тех скоростях ветра, с которыми мы имеем дело на яхте, единственная разница между водой и воздухом состоит в том, что вода имеет гораздо большую плотность. Обтекание, профили, уравнения — все совершенно аналогично. В этом разделе крылом будет называться и перо руля, и парус.
Смысл работы крыла — создать силу, перпендикулярную направлению обтекающего его потока. В аэродинамике это подъемная сила. На крыльях самолета она направлена вверх, но это совершенно не обязательно. На движущейся в воде яхте, когда руль немного поворачивается из среднего положения и получает соответствующий угол атаки, его подъемная сила направлена горизонтально. Действуя на плече до ЦГС, она и создает поворачивающий яхту крутящий момент (рис. 5-2).
Рис. 5-2. Подъемная сила на руле поворачивает яхту.
Если снабдить руль триммером (закрылком, рис. 5-3) подъемная сила триммера и плечо до оси основного руля создадут крутящий момент, поворачивающий основной руль.
Рис. 5-3. Подъемная сила на триммере поворачивает основной руль.
Когда крыло флюгера расположено под некоторым углом атаки к ветру, подъемная сила этого крыла создает крутящий момент, который далее и приводит в движение механизм авторулевого (рис. 5-4).
Рис. 5-4. Подъемная сила на крыле флюгера дает сигнал отклонения от курса в виде крутящего момента.
Насколько хорошо работают все эти крылья, зависит от того, какую они могут дают подъемную силу.
Подъемная сила зависит от плотности и скорости потока, площади, формы и ориентации (угла атаки) крыла. Здесь мы будем рассматривать только симметричные крылья, не имеющие крутки (изменение профиля по длине крыла). Именно такими являются яхтенные кили, шверты, рули, триммеры и воздушные флюгеры, поскольку они должны вести себя одинаково при обтекании с любой стороны. (Т.е. на разных галсах. Шверцы, которые меняют при смене галса, бывают и несимметричные).
Крылья имеют какую-то форму и площадь в плане и обычно переменную толщину. Изменение толщины по направлению потока образует профиль крыла. Дальше мы рассмотрим влияние всех этих факторов на работу крыла, а сейчас взгляните на рис. 5-5, который поясняет основную терминологию.
Рис. 5-5. Основные термины, касающиеся крыльев.
Рассмотрим крыло, имеющее определенный угол атаки и находящееся в однородном установившемся потоке, который движется с заданной скоростью. Если скорость потока увеличится вдвое, подъемная сила крыла при этом возрастет вчетверо. Иначе говоря, подъемная сила прямо пропорциональна квадрату скорости (рис. 5-6).
Рис. 5-6. Подъемная сила пропорциональна квадрату скорости.
Если вместо воздуха крыло поместить в движущийся с такой же скоростью поток воды, подъемная сила возрастет примерно в 830 раз! Для любого газа или жидкости с низкой вязкостью подъемная сила прямо пропорциональна плотности (рис. 5-7).
Рис. 5-7. Подъемная сила пропорциональна плотности.
Комбинация 1/2 (плотность х скорость2) называется скоростной напор. Это давление, которое надо направить навстречу потоку, чтобы его остановить. Скоростной напор определяет, с какой силой давит поток на препятствия, т.е. какую силу мы сможем получить от флюгера или на руле. В двух таблицах ниже показаны величины скоростного напора для ветра при нормальном давлении (на уровне моря) и для морской воды.
Если сравнить два крыла одинаковой формы, но разного размера, их подъемная сила прямо пропорциональна площади (рис. 5-8). Меняя скорость потока, мы обнаружим, что подъемная сила прямо пропорциональна скоростному напору. Связывающий их коэффициент пропорциональности называется коэффициент подъемной силы, CL. Он зависит от геометрической формы крыла и его положения в потоке (угла атаки).
Рис. 5-8. Подъемная сила пропорциональна площади крыла.
Если установить симметричное крыло точно по направлению потока, никакой подъемной силы не будет. Меняя угол атаки и измеряя подъемную силу, мы получим зависимость, подобную показанной на рис. 5-9. В довольно большом диапазоне углов подъемная сила почти прямо пропорциональна углу атаки.
Рис. 5-9. Типичная зависимость подъемной силы от угла атаки (толстое симметричное воздушное крыло).
Если сделать отдельные струйки потока видимыми, мы получим картину, показанную на рис. 5-10: гладкое обтекание без перемешивания струек с едва заметным замедленным слоем за задней кромкой крыла. Сопротивление при этом минимально. При дальнейшем увеличении угла атаки происходит срыв потока: разница давлений на тыльной, подветренной стороне крыла становится такой большой, что струйки потока не доходят до задней кромки крыла, а отрываются от его поверхности, образуя беспорядочно закрученную область. Сопротивление при этом резко возрастает, а подъемная сила падает (рис. 5-11).
Рис. 5-10. Безотрывное обтекание крыла.
Рис. 5-11. Срыв потока при критическом угле атаки.
Задняя кромка крыла всегда должна быть острой — это необходимо для снижения сопротивления. Крылья с тупой задней кромкой дают меньшую подъемную силу. Передняя кромка, наоборот, должна быть закругленной: это позволяет крылу работать на больших углах атаки и дает прирост CL. Другие характеристики профиля при угле атаки меньше критического слабо влияют на подъемную силу. Критический угол атаки зависит от толщины профиля, особенно у его передней кромки (рис. 5-12).
Рис. 5-12. Типичная зависимость коэффициента подъемной силы CL от угла атаки для крыльев разной толщины.
На крыле из тонкой плоской пластины срыв потока начинается практически сразу при появлении угла атаки, поэтому сопротивление такого крыла больше, а подъемная сила — меньше. На крыльях умеренной толщины срыв потока происходит позже, но часто он очень резкий, кривая подъемной силы просто обрывается. Толстые крылья дают наибольшую подъемную силу и ее более плавный спад на закритических углах атаки.
На рис. 5-13 показан хороший профиль симметричного крыла общего назначения — NACA 0010. Число 10 в этом обозначении означает наибольшую толщину крыла в процентах от хорды, 00 говорит о том, что профиль симметричный (нет кривизны), аббревиатура NACA указывает на принадлежность к стандартным профилям Национального консультативного комитета США по воздухоплаванию (National Advisory Committee for Aeronautics).
Рис. 5-13. Профиль NACA 0010.
Финальная серия наших «экспериментов» посвящена зависимости подъемной силы от удлинения. Изучим ряд крыльев одинаковой площади и прямоугольной формы, но с различным отношением сторон (для прямоугольного крыла удлинение будет просто отношением длины к хорде). Такое исследование действительно проводилось, и его результаты показаны на рис. 5-14. Для крыльев другой формы были получены аналогичные результаты (удлинение крыла произвольной формы определяется как частное от деления квадрата длины крыла на его площадь).
Рис. 5-14. Типичные зависимости подъемной силы от угла атаки для крыльев разного удлинения.
Выводы из этих графиков следующие: чем больше удлинение, тем быстрее растет подъемная сила при увеличении угла атаки (рис. 5-15). Чтобы развить ту же самую подъемную силу, крылу большого удлинения нужен меньший угол атаки. Срыв потока на крыльях большого удлинения происходит раньше, чем для малых удлинений, но по мере роста удлинения этот эффект уменьшается.
Рис. 5-15. Зависимость скорости прироста CL при увеличении угла атаки от удлинения.
На рис. 5-14 справа добавлена шкала коэффициента подъемной силы CL, которая поможет нам в расчете подъемной силы по формуле:
Пример: оценим подъемную силу симметричного прямоугольного крыла длиной 3 фута (91 см) с хордой 0,5 фт (15 см), движущегося в воде со скоростью 6 узловпри угле атаки 3° (рис. 5-16).
Рис. 5-16. К примеру расчета подъемной силы.
Говоря о подъемной сила, не забудем, что это результирующая сил давления, распределенных по поверхности крыла. Это распределение весьма неравномерно. Для симметричного крыла вблизи критического угла атаки и срыва потока, когда оно дает максимальную подъемную силу, ее большая часть сосредоточена недалеко от передней кромки (рис. 5-17), а центр давления CP — точка приложения условной результирующей силы — находится не более чем в четверти длины хорды от передней кромки.
Рис. 5-17. Разница давлений сконцентрирована у передней кромки симметричного крыла.
Это справедливо для крыльев с удлинением примерно 6 и более. Для крыльев малого удлинения, примерно 1,5 – 2, CP еще ближе к передней кромке и находится от нее примерно на 1/6 длины хорды (рис. 5-18).
Рис. 5-18. При уменьшении удлинения центр давления сдвигается вперед.
Когда происходит срыв потока, СР смещается назад к 35-45% хорды. Для плоских крыльев с острой кромкой, практически всегда работающих в режиме срыва потока, CP расположен в 35-45% от кромки независимо от удлинения крыла.
Как мы вскоре увидим, положение СР критически важно для баланса сил на руле, поэтому необходимо уметь оценить это положение не только для прямоугольных в плане, но и других рулей. Трудная задача, в том числе и потому, что распределение давления зависит и от соседних тел, находящихся в потоке — в нашем случае корпуса, киля, плавника, основного руля. На этот счет разработано много теорий, но они слишком сложны, а точность результатов все равно сомнительна. (Вот поэтому надежнее всего перед реальным изготовлением устройства сделать его макет из дешевых материалов и проверить его работу на практике). Но для начала стоит оценить положение CP хотя бы примерно.
Не стоит биться об заклад, что это будет точно, но по данным многочисленных экспериментов с разными крыльями оказалось, что ошибка этого простого способа лежит в пределах 7% длины хорды, а в большинстве случаев не превышает 3%.
Чтобы играть роль руля, крыло должно поворачиваться, и самый простой способ сделать его поворотным — поставить на фиксированную ось. Так практически всегда и делают. Баланс руля определяется положением CP относительно этой оси. Рассмотрим возможные варианты на примере простого прямоугольного руля.
Такой руль будет находиться в устойчивом равновесии. Рулевой, приложив к румпелю силу, создает на баллере крутящий момент и поворачивает руль, тем самым задавая угол атаки; давление потока стремиться вернуть руль во флюгерное положение.
Рис. 5-19. Обычный руль. Ось вращения близка к передней кромке.
На рис. 5-20 показан руль, ось вращения которого сдвинута назад от передней кромки, но по-прежнему находится впереди центра сил давления СР. Равновесие устойчивое, а вот крутящий момент (произведение силы на плечо, на котором она действует) в этом случае будет меньше (рис. 5-21). Иначе говоря, чем ближе CP к оси, тем легче работать румпелем.
Рис. 5-20. Балансирный руль. Ось впереди центра давления.
Рис. 5-21. Крутящий момент на оси руля зависит от степени балансировки.
На рис. 5-22 показан руль, ось вращения которого проходит через CP. Руль может поворачиваться свободно, никакого крутящего момента на его оси нет (когда дело дойдет уже до срыва потока и СР сместится назад, какой-то крутящий момент и усилие на румпеле появятся). Это положение безразличного равновесия. Рулевой сказал бы, что совершенно не чувствует руля.
Рис. 5-22. Точный баланс: центр сил давления на перо руля лежит на его оси вращения.
На рис. 5-23 показан руль, ось вращения которого оказалась позади CP. Равновесие неустойчиво; стоит рулю немного отклониться, и он будет стремиться развернуться задом наперед. Чтобы удержать руль, рулевому пришлось бы вцепиться в румпель мертвой хваткой, не ослабляя ее ни на миг.
Рис. 5-23. Перебалансировка: центр сил давления на перо руля перед осью вращения.
Все эти рули имеют одну и ту же площадь, форму, удлинение и профиль, все при одинаковом угле атаки создадут одинаковую подъемную силу и в принципе дадут одну и ту же силу для изменения курса лодки. Но вот крутящий момент на оси, сила, которую надо будет приложить к рулю, неодинаковы и очень сильно зависят от баланса. Для авторулевого это особенно важно, поскольку флюгер может создать только небольшую силу.
В этом отношении ничего не изменится и для рулей любой другой формы. На рис. 5-24 показан, например, кинжальный руль в виде плавника. Если его ось вращения будет проходить по линии а-а, это будет работающий балансирный руль; по линии b-b — «руль безразличного равновесия», по линии с-с — «руль задом наперед».
Рис. 5-24. Варианты баланса для руля в виде плавника.
На языке аэродинамики кинжальный руль назвали бы консольной цельноповоротной рулевой поверхностью. Руль с лучшим (не консольным) креплением тоже можно сделать балансирным, если вынести часть его площади вперед, чтобы она оказалась перед осью поворота. Примером может служить руль Mick and Miller, имеющий рожковый компенсатор — торчащий вперед выступ (рис. 5-25). Такие рули и элероны широко применяются в авиации.
Рис. 5-25. Аэродинамическая балансировка.
Используют и другой любопытный метод, при котором вынесенная вперед часть элерона находится в специальной камере внутри крыла, разделяя ее на две части. В нижнюю часть воздух из-под крыла поступает под более высоким давлением, что и обеспечивает балансировку элерона (рис. 5-26).
Рис. 5-26. Внутренняя балансировка.
Напомню, что сила сопротивления — компонент действующих на обтекаемый объект сил, направленный по потоку. Она не играет большой роли в работе систем подруливания, но вредно для общей эффективности движения яхты под парусами. Рост сопротивления за счет руля (подводной части авторулевого) вероятно значительнее, чем роль добавочного воздушного сопротивления от флюгера и остального механизма, но все это ухудшает ход яхты, особенно на острых курсах. Чтобы уменьшить этот вред, сопротивление надо свести к минимуму.
Сопротивление хорошо обтекаемого крыла при докритических углах атаки (пока не произошел срыв потока) пропорционально его смоченной поверхности. Рассмотрим для примера яхту Mick and Miller, смоченная поверхность которой составляет 10,7 м2. Дополнительный руль (авторулевого) имеет площадь 0,13 м2, плюс скег 0,09 м2 х 2 — получаем 0,44 м2 смоченной поверхности, что составляет 4,2% от всей яхты. Это означает, что сопротивление движению на малых и умеренных скоростях вырастет за счет установки дополнительного руля на 4-5%, а скорость яхты уменьшится на 2-2,5%. Вероятно, это можно считать несущественным. Во всяком случае, яхта выиграла многие гонки, так что эту потерю она успешно компенсировала.
С другой стороны, срыв потока или какая-то плохо обтекаемая стойка даст во много раз большее сопротивление, чем обтекаемое крыло. Будучи развернутым в крайнее положение, дополнительный руль Mick дал бы сопротивление 20 с лишним раз больше, чем вся яхта! Руль, который при управлении яхтой приходится сильно перекладывать, сильно тормозит; лучше использовать руль вдвое большей площади, который не придется сильно отклонять.
Труба длиной 3 фута и диаметром 1 дюйм (90 и 2,54 см) при любой скорости сделала бы сопротивление Mick примерно вдвое больше, а крыло дюймовой толщины с профилем NACA 0030 дало бы прирост сопротивления всего 2-3%.
Вот мы и рассмотрели тот минимум знаний по аэродинамике, который нужен для понимания работы флюгерных рулевых и для их проектирования. Признаюсь, что в свое время освоение этого минимума потребовало от меня серьезных усилий. Надо сказать, что аэродинамика — обширная и чарующая область знаний, и я был бы рад побудить заинтересовавшихся читателей погрузиться в нее глубже. В аэродинамике можно найти и теорию, и практические данные, очень полезные для понимания всех аспектов плавания под парусами.
Начиная с Mick and Miller, на многих яхтах для авторулевого ставили второй руль, обычно меньшего размера чем основной и более или менее балансирный. Будем называть такой руль вспомогательным или дополнительным. Определим, какой размер он должен иметь и посмотрим, как его можно установить.
Механика систем с балансирным рулем, непосредственно управляемым механической передачей с флюгера, гораздо проще систем с сервоприводом, которые мы рассмотрим далее. Преимуществом этих систем является также возможность их полноценного использования вместо основного руля яхты в случае серьезной поломки последнего.
Попробуем оценить требуемые размеры второго руля, сравнивая его с основным. Если бы два руля стояли рядом, мы могли бы справедливо решить, что создаваемый для поворота яхты крутящий момент пропорционален площади руля. Но когда рули разнесены по длине яхты, как обычно и бывает, надо учесть еще и плечо действие силы, т.е. расстояние от центра давления на руле до ЦГС яхты. Как было сказано, сегодня не существует методов для точного расчета положения ЦГС, что требуется для корректного расчета центровки яхты, но для сравнения эффективности рулей точность и не нужна. Можно ограничиться грубой оценкой, как показано на рис. 5-27.
Рис. 5-27. Примерное положение ЦГС: а) на передней кромке плавникового киля; b) на 4/5 осадки длинным килем; c) на 10% впереди ЦБС.
Для плавниковых килей и швертов будем ориентироваться на расстояние до их передней кромки, для относительно длинных килей с сильно скошенной передней кромкой используем точку, глубина которой составляет 4/5 осадки яхты килем, либо добрым старым методом картонка-ножницы-карандаш найдем центр площади боковой проекции подводной части яхты и отмерим от этой точки вперед 10% длины ватерлинии.
Отклоняемый от среднего положения руль испытывает подъемную силу и передает ее на корпус яхты, плечом этой силы является расстояние от центра сил давления на руль СР до ЦГС яхты (рис. 5-28).
Рис. 5-28. Рулевое плечо — расстояние между СР и ЦГС.
Эффективность работы руля будет характеризоваться произведением его площади на плечо. Так как размерность этой величины такая же, как объема, будем называть ее объем руля. Это, конечно, не физический объем какой-то детали или части лодки, а некий критерий. Для большинства лодок объем руля составляет от 40 до 60% водоизмещения.
Пример: руль площадью 0,37 м2 находится в 3,66 м от ЦГС. Объем руля = 4 х 12 = 1,35 м3.
Размеры основного руля яхты должны быть достаточно велики, чтобы создать большой крутящий момент, необходимый для резких маневров. Перед вспомогательным рулем такая задача не стоит. Для обычного управления ему достаточно примерно половины объема основного руля. Если же основной руль будет закреплен в положении, обеспечивающем на выбранном курсе значительную часть необходимого крутящего момента (например, будет уваливать яхту, как при ручном управлении), на долю вспомогательного останется лишь небольшая работа по подруливанию. Такое решение дает три преимущества:
Но нельзя делать вспомогательный руль и слишком маленьким: он должен позволять авторулевому эффективно обрабатывать изменения силы ветра, не требуя корректировки положения основного руля. При усилении ветра потребуется сильнее уваливать яхту, при ослаблении — наоборот, в последнем случае основной и вспомогательный рули даже будут стремиться повернуть яхту в разные стороны. При обычных на море колебаниях скорости ветра при порывах примерно в два раза минимально допустимая площадь вспомогательного руля составит 1/4 площади основного. Если выбрать ее с запасом, от 1/2 до 1/3, яхта будет менее чувствительна к изменению силы ветра
Пример: если основной руль дает объем 1,35 м3, и мы знаем, что с этим рулем яхта хорошо управляется. Минимальный объем вспомогательного руля составит 1,35 / 4 = 0,34 м3, но мы выберем побольше, третью часть: 1,35 / 3 = 0,45 м3. Если руль будет стоять в 4,9 м от ЦГС, его площадь должна быть 0,45 / 4,9 = 0,09 м2, а если в 3,05 м — 0,45 / 3,05 = 0,15 м2.
Руль надо установить так, чтобы он был балансирным и поворачивался с минимальным трением. Флюгер с вертикальной осью обычного размера будет в состоянии повернуть лишь маленький и почти полностью сбалансированный руль, для двухосевого флюгера (???) степень баланса руля может быть меньше. Трение должно быть минимальным в любом случае. Пока мы ради простоты рассматриваем системы без мощного усиления с помощью серворулей, поворот вспомогательного руля должен быть очень легким. Выбор места и способа установки вспомогательного руля обычно продиктован типом кормы яхты и размещением ее основного руля.
Основная проблема кинжальных рулей — необходимость уплотнения на входе баллера в корпус, которое дает очень большое трение. Невыгодно и размещение подшипников баллера: так как они оказываются недалеко друг от друга, плечо сил невелико и боковой упор может в разы превышать подъемную силу руля. Это также повышает трение. Вал баллера руля должен быть очень прочным, примерно дюйм в диаметре на каждые 20 фт длины лодки, если делать его из бронзового гребного вала.
Рис. 5-29. При кинжальном руле его баллер испытывает большой изгибающий момент, а подшипники — большую нагрузку.
Закрепленный на скеге (дополнительном плавнике) руль может иметь рожковый компенсатор баланса (рис. 5-25) или полностью помещаться за скегом (рис. 5-30). В последнем случае важно, чтобы для уменьшения сопротивления и скег, и сам руль имели обтекаемую форму. Скег должен быть прочным и жестким, чтобы выдерживать значительные боковые нагрузки. Если он начнет гнуться, подшипники баллера окажутся не соосны.
Рис. 5-30. Скег обеспечивает поддержку руля и меньшую нагрузку на подшипники.
В этом варианте подшипники (рулевые петли) стоят далеко друг от друга. Можно использовать герметичные шарикоподшипники; большую часть времени они будут находиться над водой. Алюминиевые корпуса для подшипников, привинченных болтами через транец, дадут хорошую опору, а также гальваническую защиту.
Рис. 5-31. Варианты навесных рулей.
Если на транце уже навешен основной руль яхты, можно рассмотреть вариант установки двух вспомогательных рулей половинной площади ближе к бортам (рис. 5-32). Расстояние между рулями должно быть таким, чтобы основной руль не влиял на их работу.
Рис. 5-32. Двойные навесные рули.
Любой вспомогательный руль должен иметь свой собственный короткий румпель, чтобы можно было контролировать его положение — например, закрепить в среднем положении, когда авторулевой не используется или необходимо отключить его при поломке. Чтобы избежать поломки в случае потери хода и движения яхты кормой вперед, необходимы ограничители перекладки руля, в которые будет упираться румпель.
Потенциальную опасность для руля представляет цепляние плавающих в воде водорослей, лесок, обрывков веревок и другого мусора. От этого неплохо предохранит небольшой плавничок, установленный перед рулем (рис. 5-33).
Рис. 5-33. Небольшой плавник предохранит подвеску кинжального руля от попадания плавающего мусора.
Триммер (небольшое отклоняемое крыло позади основного) позволяет намного увеличить силу на руле, используя для этого поток воды. (Серво... — общий термин для различных устройств, усиливающих управляющее воздействие). Руль с триммером несколько сложнее, чем без него, но зато позволяет обойтись более слабым усилием от флюгера, при этом увеличив усилие на руле. Требования к балансировке и трению становятся менее жесткими. Для яхты с острой (вельботной) кормой и навесным рулем система с триммером будет единственным разумным вариантом флюгерного управления.
Примеры рулей с триммерами показаны на рис. 5-34. Триммер поворачивает основной руль, а он, в свою очередь, поворачивает всю яхту. Когда триммер ориентирован так же, как руль, он не оказывает влияния на работу руля. Если же триммер будет повернут на некоторый угол атаки по отношению к стекающему с руля потоку, на нем появится подъемная сила. Действуя на плече до оси руля, она будет разворачивать руль до тех пор, пока не окажется уравновешена подъемной силой руля, т.е. направленные навстречу друг другу крутящие моменты этих сил не станут одинаковы (рис. 5-35).
Рис. 5-34. Два типа рулей с триммерами: a) в виде отклоняемого закрылка, b) в виде отдельного крыла.
Рис. 5-35. Равновесие моментов подъемных сил руля и триммера относительно оси руля..
Заметьте, что:
Рис. 5-36. Углы атаки руля и триммера.
Насколько большой триммер нужен, чтобы управлять имеющимся рулем? И что вообще значит в данном случае большой? Способность триммера создать крутящий момент для поворота руля зависит от площади триммера и плеча его подъемной силы. Поэтому, как и для руля (см. выше), будем оценивать «величину» триммера по критерию объема — произведению площади триммера на плечо.
Пока ни на руле, ни на триммере не произошел срыв потока, между их углами атаки существует прямая пропорциональность: если меняется угол атаки триммера, аналогично (с некоторым коэффициентом) меняется и угол атаки руля. Рано или поздно срыв потока где-то произойдет. Если триммер слишком мал, поток сорвется на нем прежде, чем на руле, что нарушит управление рулем. Если триммер больше чем нужно, срыв потока сначала произойдет на руле; это также нарушит управление: как бы дальше ни отклонялся триммер, повернуть и так работающий на закритическом угле атаки руль он не сможет. Оптимальный вариант, когда и триммер, и руль работают «до последнего» и управление будет нарушено как можно позже, приближенно определяется соотношением:
Произведение в правой части также имеет размерность некоего объема. Надеюсь, вы не будете возражать против названия собственный объем руля. Этот критерий характеризует руль с точки зрения силы, необходимой для его поворота, в то время как объем руля — с точки зрения силы, с которой руль разворачивает яхту.
Как отмечалось выше, для управления без резких маневров обычно достаточно половины объема руля; требуемый объем триммера составит примерно 60-65% собственного объема руля. Однако, чтобы не была ограничена возможность парировать приведение яхты при порывах ветра, я считаю разумным принимать объем триммера таким же, как собственный объем руля.
Для оценки собственного объема руля требуется довольно точно знать положение центра давления, а уверенно определить его трудно. Сделав пробный триммер, проверьте, каким получилось его соотношение объемов с рулем. Будет ли при больших углах атаки триммера (на грани срыва) и руль в таком же состоянии?
Попробуйте некоторое время управлять яхтой с помощью румпеля триммера — возможно ли это, хватает ли «мощности» на руле? Когда руль и триммер имеют примерно одинаковое удлинение, выполняется соотношение
так что действие триммера можно оценить, сравнивая углы атаки.
Нужен триммер для управления рулем площадью 0,37 м2, центр давления которого находится в 10,3 см от оси. Собственный объем руля составит 0,038 м3, такой же объем должен иметь и триммер. Примем его площадь 0,047 м2, тогда расстояние от оси руля следует сделатьы 0,038/0,041 = 0,81 м.
Подъемная сила триммера (при равновесии с поворачивающимся рулем) будет равна 0,103/0,81 = 0,127 подъемной силы руля, т.е. эффективность работы руля понизится примерно на 13%. В стабильном потоке углы атаки руля и триммера будут приблизительно одинаковы (рис. 5-37).
Что будет, если использовать триммер поменьше — 0,032 м2, поставив его ближе к оси руля — 0,61 м? Объем триммера получится вдвое меньше, чем у руля — 0,019 м3, а подъемная сила на нем 0,103/0,61 = 0,17 подъемной силы руля. Снижение эффективности руля из-за направленной навстречу подъемной силы триммера будет уже 17%. Угол атаки руля составит 0,019/0,038 = 0,5 от угла атаки триммера, т.е. когда на триммере при угле атаки 12° произойдет срыв потока, руль будет повернут только на 6° (рис. 5-38).
Рис. 5-37. Собственный объем руля и объем триммера одинаковы.
Рис. 5-38. Объем триммера составляет половину собственного объема руля.
На всех рисунках выше триммер был показан как отдельное небольшое крыло. Но в качестве сервопривода можно использовать и отклоняемую на шарнире заднюю часть крыла (в аэродинамике — поворотный закрылок, рис. 5-39). В авиации почти всегда так и делается, поскольку лобовое сопротивление крыла с закрылком гораздо ниже, чем было бы с отдельным триммером.
Рис. 5-39. Закрылок в качестве сервопривода руля.
Рассмотренные выше соотношения остаются в силе и в этом случае, что собственный объем руля надо оценивать, включая закрылок в среднем положении на одной оси с рулем, т.е. учитывать его площадь и влияние на центр давления.
Чем более сбалансирован руль, тем меньшее усилие требуется для его поворота на некоторый угол. Для полностью балансирного руля даже минимальное отклонение триммера «перетянет», так как руль не окажет повороту никакого сопротивления и будет поворачиваться до срыва потока (рис. 5-40). Любое отклонение триммера в другую сторону вызовет резкий переброс руля. Подобная реакция на оказывающееся слишком сильным регулирующее воздействие возможна не только для полностью сбалансированных рулей. Чтобы избежать ее, система должна быть аккуратно рассчитана с учетом обратной связи, что мы подробно рассмотрим в главе 7.
Рис. 5-40. Вращение полностью балансирного руля.
Так как триммер поворачивается вокруг своей собственной оси, он, как и руль, тоже может быть сделан балансирным ради чувствительности к еще меньшим силам управляющего воздействия от флюгера. Но в силу малых размеров триммеров большого смысла в этом нет. Кроме того, как мы квидим дальше, некоторая небалансирность триммера уменьшает чувствительность системы к изменению силы ветра. Небалансирный триммер удобен и тем, что при отключении флюгерного управления будет сам устанавливаться во флюгерное положение, не мешая управлять рулем вручную.
Собственный объем триммера рассчитывается так же, как и руля — умножением площади на расстояние между осью и центром давления.
Триммер может быть установлен как на основном, так и на дополнительном руле. В том и другом случае требуется решить две главные проблемы: 1) обеспечить хорошую поддержку триммера, причем с низким трением; 2) обеспечить передачу на триммер управляющего усилия где-нибудь...над водой. Решение определяется в основном видом кормы и основного руля яхты
Самый простой и эффективный способ. Нужны только петли подвески (подойдут для обычных рулей) и ось (баллер). Чтобы объем триммера совпал с собственным объемом руля, площадь триммера обычно получается около 20-25% площади руля. Такой триммер можно сделать весьма прочным, но, поскольку он довольно большой, для работы с ним потребуется достаточно большой флюгер.
Рис. 5-41а. Закрылок на основном руле.
Чтобы уменьшить триммер и улучшить условия баланса, его можно отнести от задней кромки руля дальше назад. Опорные кронштейны и баллер необходимо сделать очень прочными и уделить внимание их хорошей обтекаемости, в противном случае сопротивление яхты может заметно возрасти. Баллер стоит сделать разрезным с карданным шарниром, так как даже минимальная деформация руля и кронштейнов под нагрузкой приведет к несоосности подшипников.
Рис. 5-41б. Триммер на кронштейнах.
Здесь можно установить как закрылок, так и выносной триммер, но передача управляющего воздействия в любом случае получится сложной (рис. 5-42). Можно сделать баллер руля полым и пропустить через него вал управления; такое решение потребует дорогих станочных работ. Более дешевым решением могла бы быть установка управляющего вала триммера через собственный гельмпорт.
Рис. 5-42. Варианты передачи триммеру управляющего воздействия.
Ничто не запрещает установить триммер перед рулем, а не позади него. Если, конечно, там найдется место. Такое решение дает большой выигрыш: в этом случае подъемная сила триммера направлена в ту же сторону.я. что и подъемная сила руля. Эффективность работы руля не пострадает а, наоборот, повысится (рис. 5-43). Кроме того, перед рулем триммер будет работать в невозмущенном потоке, его угол атаки будет измеряться по отношению к этому потоку, а не отклоненному рулем. Переднее положение триммера должно быть учтено при конструировании передачи. Наконец, заметим, что стоящий впереди руля будет лучше защищен от одних опасностей, но более подвержен другим.
Рис. 5-43. Триммер пере рулем поворачивается и дает подъемную силу в том же направлении, что и руль.
Вместо одного триммера можно сделать два по разные стороны руля, которые будут поворачиваться синхронно (рис. 5-44). В этом варианте нет деталей, находящихся позади или впереди руля; сделать прочные крепления не слишком сложно.
Рис. 5-44. Двойной триммер.
Простейший вариант, который хорош тем, что под водой нет ни одного подшипника — там вообще ничего лишнего нет, только сам триммер. Естественно, требования к прочности баллера триммера, закрепленного в верхней части руля, будут более высокими. Подшипники будут испытывать значительные боковые нагрузки, но над водой можно использовать шариковые или роликовые подшипники с очень малым трением.
Рис. 5-45. Триммер на консольном выстреле.
Прежде чем завершить тему триммеров, рассмотрим интересный вариант, хотя и не применяющийся в системах подруливания. Это балансирующий триммер на стабилизаторе самолета, показанный на рис. 5-46. Триммер соединен рычагом с выступом на стабилизаторе и не имеет внешнего управления, руль высоты управляется как обычно. При его отклонении рычаг отклоняет триммер в противоположную сторону, и подъемная сила триммера помогает отклонять руль — он оказывается балансирным.
Рис. 5-46. Балансирующий триммер на самолетном руле высоты.
Такой же способ можно применить для балансировки руля и на яхте, как показано на рис. 5-47. Простая механическая связь будет отклонять триммер в направлении, противоположном повороту руля, обеспечивая в той или иной степени его балансировку. Можно сделать руль полностью балансирным в широком диапазоне углов атаки; для этого объем триммера должен быть приблизительно равен собственному объему руля, а связь руля и триммера — обеспечивать их поворот на одинаковый угол атаки.
Такой руль мог бы непосредственно управляться двухосевым флюгером. В результате получится очено простая с точки зрения механической передачи система: триммер работает под водой сам по себе, а флюгер управляет основным рулем. Если вы задумаете реализовать эту схему, помните, что подъемная сила триммера уменьшит эффективность работы руля на 10-25% (см. рис. 5-35), так что начать следует с соответствующего увеличения руля.
Рис. 5-47. Триммер автоматически балансирует руль .
В 1964 г. полковник Герберт Джордж Хаслер (H.G. Hasler, «Blondie»), имя которого тесно связано со всей историей автоматизации управления яхтами, изобрел маятниковый сервопривод — новый мощный способ управления, полностью отличающийся от применявшихся ранее вспомогательных рулей и триммеров. С тех пор он успешно применяется на множестве разнообразных яхт. Несмотря на более сложный механизм, большая мощнось, легкость приспособления к разным яхтам, пригодность для работы с рулями под корпусом, румпелем или штурвалом сделали маятниковый сервопривод одним из самых популярных способов. На его основе выпускается ряд коммерческих флюгерных авторулевых.
Представьте себе, что вы сидя на корме движущейся лодки, вертикально опускаете в воду весло. Если его лопасть ориентирована по потоку, будет ощущаться только некоторое сопротивление. Такое весло само по себе могло бы служить вспомогательным рулем. Но если немного повернуть его, появившаяся на лопасти подъемная сила с большим рычагом начнет выворачивать весло вбок, к поверхности воды.
Весло и является прообразом маятникового сервопривода. Большой крутящий момент, возникающий при незначительном повороте лопасти на длинном рычаге, передается оснасткой на основной руль. В принципе, триммер также является «гидроусилителем», преобразуя небольшой поворот по управляющему сигналу в усилие на основном руле, но за счет большой длины рычага получаемая сила гораздо больше.
Принципиальная механическая схема устройства показана на рис. 5-48. Управляющим сигналом служит поворот лопасти вокруг оси А-А. Выходной сигнал — поворот маятника вокруг оси В-В, который с помощью секторов и тросиков передается румпелю.
Рис. 5-48. Схема маятникового сервопривода руля.
Очевидно, необходимый для управления рулем размер лопасти маятника зависит от его плеча (расстояние от оси В-В до центра давления на лопасти), размера руля и механического усиления или ослабления передачи на румпель — соотношения углов поворота маятника и румпеля. Нам понадобится подсчитать собственный объем руля и объем маятника, который определяется как
Рис. 5-49. Сила на руле будет пропорциональна плечу маятника.
Рассмотрим расчет передачи. Чем большее увеличение силы она дает, тем меньше может быть маятник. Есть, однако, ограничение, связанное с допустимым ходом маятника на оси B-В. Когда румпель надо положить на наветренную сторону, так же отклонится и маятник (рис. 5-50); угол его поворота складывается с углом крена. Когда лопасть окажется недалеко от поверхности воды, ее подъемная сила уменьшится, если же, того хуже, начнется вентиляция лопасти (заброс пузырьков воздуха на сторону пониженного давления) — может совсем пропасть.
Рис. 5-50. Вблизи поверхности лопасть теряет эффективность.
Чем больше передаточное отношение (отношение радиусов секторов на румпеле и на оси В-В), тем меньше окажется угол, на который система сможет повернуть румпель до потери силы. На типичных килевых яхтах передаточное отношение бывает не более 1; при особенно хорошем балансе яхты до 2. Для многокорпусников, которые почти не кренятся, при легком руле — до 4.
Выбрав передаточное отношение, определим минимальный объем маятника:
Ясно, что при одинаковой площади узкая и длинная лопасть эффективнее короткой и широкой, а объем маятника можно увеличить, подняв ось В-В выше над ватерлинией.
Предположим, руль имеет площадь 0,56 м2 и не является балансирным. Плечо от CР до оси составляет 18 см, что дает собственный объем 0,102 м3. Лодка довольно остойчива и имеет хорошую центровку, так что можно принять передаточное отношение 1,5. Сектор передачи на оси серворуля имеет радиус 30 см, а на румпеле — 46 см. Минимальный объем маятника составит 0,102 / 1,5 = 0,068 м3. Увеличим его на 40% для компенсации трения и получим 0,096 м3.
Пусть длина маятника 1,53 м, из которых 0,61 м под водой; ширина (хорда) лопасти 13 см.
При длине маятника 1,83 м и той же высоте оси под водой будет 0,91 м и окажется достаточной лопасть шириной 7,6 см:
Если руль почти полностью балансирный, требуемый объем сервомаятника очень мал и при включении авторулевого начнутся сильные хаотичные броски в разные стороны. Этого можно избежать, введя обратную связь от руля, однако куда проще и правильнее выбрать нормальный баланс руля, что обеспечит нормальное управление.
Выше уже шла речь о балансе триммера. По тем же причинам что и для триммеров, нет необходимости делать сервомаятник (точнее, его лопасть) балансирной по отношению к оси ее поворота А-А.
Далее для определения необходимых размеров флюгера нам понадобится знать собственный объем маятника — произведение площади лопасти на расстояние от центра давления до оси поворота А-А.
Как правило, сервомаятник устанавливают за кормой на том или ином кронштейне. Конечно, это неудобно: авторулевой уязвим для случайных повреждений, а добраться до него для настройки или ремонта трудно. Важным усовершенствованием была бы возможность снять любую часть и спокойно работать с ней на борту. Механика авторулевых становится все более сложной, и для достижения долгой надежной работы требуются очень серьезная инженерно-техническая проработка.
Этот тип сервомаятника показан на рис. 5-48. Маятник представляет крыло, вращающееся на подшипниках вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Длинный консольный вынос по вертикали без дополнительных опор требует установки роликовых или шариковых подшипников, допускающих значительную боковую нагрузку.
Сервомаятник можно выполнить в виде фиксированного на горизонтальной оси В-В плавника, снабженного поворотным вокруг вертикальной оси А-А закрылком (рис. 5-51а). Узел подшипников получится проще; подшипники закрылка испытывают небольшую нагрузку, но при этом находятся под водой, где их гораздо труднее защитить от коррозии. Примерный размер закрылка — 50% хорды плавника. При этом поворот закрылка будет давать 75% подъемной силы по сравнению с поворотом всего плавника; расчетный объем маятника (включающего площадь закрылка) следует увеличить на 33%.
Рис. 5-51. Варианты сервомаятника с закрылком и выносным триммером.
Как и в случае руля, маятник можно поворачивать с помощью триммера (рис. 5-51b). Необходимый для управления крутящий момент при этом уменьшится (при наличии хороших подшипников для вращения по оси А-А необходимости в этом нет).
Длинная и узкая лопасть будет легко цеплять плавучий мусор; даже при нормальной работе она подвергается значительным изгибающим нагрузкам, которые могут вырасти еще больше в тяжелую погоду, в случае потери хода и движения задом наперед и т. п. Хотя бы с первой неприятностью можно бороться, сделав маятник откидным, наподобие руля на небольших лодках. Поднятую из воды лопасть можно будет очистить. Для этого надо предусмотреть поворот и вокруг поперечной горизонтальной оси C-C (рис. 5-52). В рабочем положении маятник может удерживать резиновый шнур, при этом в случае наезда на препятствие или перегрузки и большого сопротивления маятник будет откидываться. Надо позаботиться о том, чтобы остальные части механизма авторулевого при этом отсоединялись сами и не сломались.
на случай большой перегрузки стоит предусмотреть в конструкции слабое звено, поломка которого предохранит остальной механизм. Ломающаяся деталь должна легко заменяться запасной.
Рис. 5-52. Откидывающийся сервомаятник.
Базовые типы рулей (напомним, мы имеем в виду исполнительную часть механизма авторулевого) в чистом виде используются редко, но для каждого из них известно много вариантов. Я советую начинать рассмотрение с более простых устройствам, которые можно использовать как дополнение к существующему рулевому управлению. Во-первых, подумайте, не получится ли использовать основной руль. Во-вторых, посмотрите, можно ли установить дополнительный руль, как и куда? В третьих, рассмотрите варианты с триммером на основном или вспомогательном руле. И только если ни один из этих способов не обеспечит удовлетворительного решения, переходите к системе с сервомаятником.
Флюгер в авторулевом — датчик, который при отклонении угла атаки вымпельного ветра от нуля должен выдать сигнал в виде силы или крутящего момента. Его эффективность определяется тем, насколько большой момент он создаст при определенном изменении угла атаки. Другие желательные для флюгера свойства:
Флюгеры практически всегда является просто крылом, а типы флюгеров для авторулевых различают в основном по числу осей вращения, вокруг которых крыло может поворачиваться. Так или иначе, крыло флюгера при небольшом угле атаки развивает некоторую подъемную силу, пропорциональную этому углу, а также скоростному напору ветра и собственной площади. Влияние на подъемную силу оказывают также удлинение и профиль крыла. Развиваемый флюгером крутящий момент равен произведению подъемной силы на расстояние от центра давления до оси вращения, на которой уравновешен флюгер (рис. 6-1).
Рис. 6-1. Крутящий момент флюгеров с вертикальной и наклонной осью.
Таким образом, для сравнения крутящих моментов разных флюгеров при одинаковой скорости ветра нам важно произведение площади крыла на длину плеча. Размерность этого критерия снова соответствует некоторому объему — назовем его объем флюгера. Что касается удлинения, для большинства флюгеров оно находится в пределах от 2 до 4 и при этом не оказывает заметного влияния. Если вы будете рассматривать флюгер с меньшим удлинением, учтите, что при прочих равных условиях его подъемная сила будет меньше.
Обтекаемый аэродинамический профиль будет лучше всего, так как дает минимальное сопротивление. Что касается формы флюгера в плане, ее могут ограничивать находящиеся рядом снасти такелажа, бизань и пр. Увеличением сопротивления часто пренебрегают ради большей чувствительности или из конструктивных соображений.
Популярен благодаря легкости изготовления хоть из фанеры. Уже при небольшом угле атаки на плоском крыле происходит срыв потока, поэтому подъемная сила такого флюгера может быть вдвое меньше, чем обтекаемого. Это частично компенсируется смещением центра давления назад к 40% длины хорды.
Такую форму часто имеют флюгеры, указывающие направление ветра. Я не мог найти никаких аэродинамических данных, которые указывали бы на преимущество такого флюгера с точки зрения подъемной силы. Очевидно, что его сопротивление велико, а центр давления сдвинут назад.
В 1970 г. Dr. S.L. Seaton сообщил а AYRS Self-steering, что обнаружил большое увеличение эффективности флюгера с задними закрылками, причем как для плоской пластины, так и для профилированного крыла. Закрылки могли быть как простыми, так и щелевыми (рис. 6-2b). При некотором увеличении сопротивления такие флюгеры дали существенное увеличение силы. Но надо отметить, что Dr. Seaton сравнивал свои флюгеры с плоским малого удлинения (1,2), ось которого находилась позади передней кромки. Такое сравнение совершенно некорректно. (Не думаю, что балансировка флюгера относительно его оси может дать преимущество).
Рис. 6-2. Флюгеры в виде клина и с закрылками в задней части.
Есть ли выбор места для установки флюгера авторулевого и какой, зависит от конкретной яхты. Кроме очевидной необходимости обеспечить механическое соединение с рулевым исполнительным механизмом, желательно учесть как минимум еще три фактора:
Если флюгер загораживают паруса или корпус, работать он не сможет. Низкий флюгер на корме не будет работать, оказавшись в ветровой тени рубки или даже когда кто-то прикрывает ветер, сидя в кокпите с наветренной стороны. Даже когда флюгер получает чистый ветер, на крутом бейдевинде влияние парусов значительно уменьшит его чувствительность, так как паруса отклоняют воздушный поток, направляя его от задней шкаторины по касательной. В результате флюгер будет иметь тенденцию оставаться параллельным задней кромке паруса, хотя яхта уже начала отклоняться от курса (рис. 6-3). Не почувствовав изменение вымпельного ветра, флюгер не даст и и реакции управления. К счастью, на бейдевинде яхты обычно имеют отличную собственную курсовую устойчивость.
Рис. 6-3. Влияние парусов на угол атаки флюгера.
На корме завихрения потока, вызываемые гиками грота и бизани, могут вызвать странное и хаотичное поведение флюгера. Все эти помехи быстро уменьшаются, когда яхта ложится на более полный курс.
Чем выше стоит флюгер над палубой, тем более чистый ветер он получает и тем меньше помех. Не лучше ли было бы поместить его на топ мачты? Конечно, если оттуда удастся сделать механическую передачу (что не кажется невозможным). Но существует и весьма неблагоприятный эффект высоты, и связан он с изменениями вымпельного ветра при качке. Предположим, яхта идет с попутным ветром и при этом раскачивается. Вот она кренится на правый борт... (рис. 6-4) ...и к вымпельному ветру прибавляется вызванная этим движением окружная скорость, прямо пропорциональная высоте установки флюгера. Естественно, флюгер «решит», что раз ветер стал дуть с правого борта, надо повернуть налево. Крен налево — надо дать команду повернуть направо. Такое автоматическое управления нам уж точно не нужно.
Рис. 6-3. Подруливание высоко стоящим флюгером начнет сильнее раскачивать лодку.
Мы получили почти единственную возможность (не считая гироскопа) почувствовать крен еще до того, как пара сил тяга-сопротивление начнет уводить яхту с курса. Увы, обратная связь тут получается положительная, т.е. подруливание приведет к более сильной качке и рысканию. Это будет происходить при ветре позади траверза и сильнее всего — на фордевинде.
Так что ставьте флюгер не сишком высоко, лишь бы он получал чистый ветер и не получал потоков брызг. Как высоко могут лететь брызги? Хороший вопрос. Оставлю его на ваше усмотрение.
Аналогичный эффект ошибочного подруливания в неправильную сторону может проявиться при рыскании, когда флюгер вынесен далеко назад. Та же самая яхта идет фордевиндом и рыскает влево. Флюгер при этом получает ветер с правого борта за счет окружной скорости рыскания и будет пытаться повернуть влево, усугубляя уход с курса (рис. 6-5).
Рис. 6-5. Вынесенный далеко назад флюгер усиливает рыскание.
Большинство флюгеров имеет противовес, уравновешивающий флюгер на оси вращения. Таким образом, центр тяжести флюгера лежит на этой оси. Это устраняет тенденцию флюгера поворачиваться при крене яхты и значительно уменьшает раскачивание из-за ускорений при качке. Хотя небольшой разбаланс по массе может дать некоторые преимущества для работы передачи и руля, для сохранения чувствительности к слабым ветрам рекомендуется полностью уравновесить флюгер.
Простейший флюгер имеет одну ось вращения, которая используется и для установки курса, и для передачи крутящего момента. Именно такой тип флюгера использовали в авторулевых на Arielle, Buttercup, Mick the Miller (рис. 4-1). Часто его называют флюгер с вертикальной осью, но ось вовсе не обязана быть вертикальной.
Как мы увидим ниже, появившиеся позже двухосевые флюгеры имеют некоторые преимущества, но свои плюсы есть и у одноосевых, которые не сдают свои конкурентные позиции. Более простая механика делает их легче и дешевле в изготовлении. Но основной плюс в том, что такой флюгер представляет собой... обычный флюгер: когда он не используется и отключен, его словно и нет. Это делает его менее уязвимым к потокам брызгам и даже ударам гребней в штормовую погоду, особенно при наличии срезного штифта или иного предохранительного приспособления.
Для получения заданного крутящего момента от одноосевого флюгера он должен иметь большую площадь, чем двухосевой.
Как мы отмечали выше, развиваемый флюгером крутящий момент определяется произведением его площади на расстояние центра давления СР от оси вращения. Пусть СР находится в 25% от передней кромки крыла (для малых удлинений будет меньше). Ясно, что для повышения момента надо отодвинуть переднюю кромку подальше от оси вращения (рис. 6-6).
Рис. 6-6. Выгодно отнести переднюю кромку флюгера от оси вращения.
Пусть крыло с хордой 1 фт (30,5 см) и высотой 3 фт (91,5 см) вращается вокруг своей передней кромки (А). CP находится в 3" (7,6 см) от кромки. Объем такого флюгера составит 3 х 0,75 фт3 (0,021 м3). Если сдвинуть крыло на 3" дальше от оси (В), объем флюгера удвоится. Отодвинем крыло еще на 6", и объем окажется в 4 раза больше первоначального (С). Места для вращения флюгера не хватает? Крыло с хордой 6" (152 мм) и такой же высоты как первое, займет при вращении столько же места как (А) и при этом даст на 25% больший объем (D).
Ничто не препятствует отодвигать крыло от оси; при недостатке места всегда лучше использовать крыло меньшей площади, но отодвинутое подальше.
Все одноосевые флюгеры, которые мне пришлось повидать, стояли на валу, закрепленном на лодке (рис. 6-7). При консольном креплении этот вал работает на изгиб, и иногда напряжение, очевидно, бывает очень велико. У Hal и Margaret Roth на Whisper флюгер стоял на дюймовом валу из нержавеющей стали, и во время шторма в заливе Аляска этот вал был сломан. 600 миль обратного пути по Тихому океану им пришлось идти, управляя яхтой в основном вручную. (Roth, Two on a Big Ocean, Macmillan, NY, 1972).
Как обычно, желательно увеличивать расстояние между подшипниками для уменьшения боковых сил и трения. Один из подшипников должен быть упорным и принимать вес флюгера и противовеса.
Рис. 6-7. Крепление одноосевых флюгеров.
Может показаться привлекательной идея установить флюгер на баллере руля или валу управления триммером, но делать этого не следует. Такая установка приведет к неустойчивости, появится сильная тенденция к колебаниям. В гл. 7 этот вопрос будет рассмотрен подробнее.
Очевидно, ахтерштаг на шлюпе или тендере является одним из основных препятствий для вращающегося на корме флюгера. Но иногда проблему удавалось изящно решить, установив флюгер на сам ахтерштаг (рис. 6-8).
Рис. 6-8. Флюгер, вращающийся на ахтерштаге.
Туго натянутый ахтерштаг обеспечит хорошую поддержку; расстояние между подшипниками большое. Флюгер крепится на трубу, диаметр которой должен позволять проход огона и фитингов на конце ахтерштага. Нижний подшипник также должен иметь соответствующий внутренний диаметр; этот подшипник (шариковый, упорный) будет легко доступен для смазки. Подшипник на верху трубы может быть пластиковым.
Основной опасностью при такой установке будет удар приподнимающегося при повороте фордевинд гика. На некоторых яхтах гик может зацепить даже сам ахтерштаг, это очень опасная ситуация. По-видимому, на большинстве яхт места вокруг ахтерштага недостаточно и такая установка потребовала бы укорочения гика или выноса ахтерштага назад. Представляет опасность и усталость металла из-за изгиба проволок троса около верхнего подшипника, но этой опасности можно избежать, сделав ахтерштаг из двух отрезков, соединенных около места, где трос подвергался бы изгибу.
Ось флюгера вовсе не обязана быть вертикальной. Напротив, некоторый наклон вперед (как при установке на ахтерштаге) дает определенное преимущество, связанное с креном. Когда яхта кренится при усилении ветра, угол атаки флюгера на наклонной оси меняется так, как если бы яхта уже привелась, и флюгер заранее даст сигнал на уваливание. (Это трудно изобразить на рисунке, если ситуация непонятна, попробуйте проиграть ее на макете). Эффект работает в нужном направлении. Если же наклонить ось флюгера в корму, эффект окажется обратным, чувствительность авторулевого к колебаниям скорости ветра возрастет, рыскание увеличится.
Прежде всего, одноосевые флюгеры ограничены в величине своего выходного сигнала: они способны обеспечить лишь небольшой поворот вокруг своей оси. С точки зрения крутящего момента все в порядке (для достижения некоторого объема флюгера вертикальное или горизонтальное положение оси значения не имеет). Проблема в том, что когда флюгер реагирует на изменение курса или направления ветра и начинает поворачиваться вокруг своей оси обратно во флюгерное положение, развиваемый им крутящий момент быстро уменьшается.
Предположим, ветер зашел на 10°. Угол атаки изменился, флюгер дал крутящий момент, руль повернулся и лодка изменила курс на 5°. Угол атаки флюгера тоже стал 5° вдвое уменьшился и крутящий момент. А большинство флюгеров из-за люфта повернутся на те же 105° и совсем перестанут выдавать крутящий момент. Еще один взгляд на эту проблему: начав отрабатывать заход ветра, флюгер чуть-чуть сбивает настройку курса и в результате «думает», что уход с курса меньше, чем на самом деле.
В общем, эта проблема не сильно мешает работе авторулевого. Для подруливания обычно достаточно поворачивать руль на 10-15°. Угол поворота можно увеличить при передаче на руль ценой пропорционального уменьшения крутящего момента. Флюгеры с одной осью остаются широко распространенными и используются по всему миру яхтсменами, которые ценят их простоту и другим преимущества и согласны мириться с некоторыми ограничениями.
Готовясь к трансатлантической гонке одиночников 1964 г. на приз Observer Trophy (OSTAR), Эрик Табарли оборудовал Pen Duick II авторулевым, имевшим ряд новшеств. Наиболее заметным из них был флюгер новой системы с двумя осями вращения: одна служила для настройки курса, а другая для передачи крутящего момента выходного сигнала (рис. 6-9).
Рис. 6-9. Двухосевой флюгер Pen Duick II.
Хотя искусно сделанный авторулевой сломался вскоре после начала гонки и большую часть своего пути к победе Табарли рулил вручную, потенциальные преимущества его флюгера с горизонтальной осью многими были оценены и взяты на заметку.
Ничего сложного здесь нет. Курс задается поворотом платформы вокруг вертикальной оси до тех пор, пока флюгер и выходная ось не окажутся сориентированы по ветру. В этой точке флюгер не дает крутящего момента. Когда ветер меняет направление или лодка уходит с курса, флюгер получает угол атаки и создает крутящий момент на выходной оси. Флюгер с горизонтальной осью мощнее и дает больший поворот оси, поскольку может отклониться от начального вертикального положения в сторону на 20-30° без заметного изменения угла атаки. Он продолжает выдавать крутящий момент и при повороте на 60° и более.
Это важнейшее улучшение по сравнению с одноосевым флюгером, который поворачивается лишь на угол, равный углу отклонения от курса, и при этом теряет всю подъемную силу. Если использовать передачу с увеличением крутящего момента, для управления рулем будет достаточно двухосевого флюгера гораздо меньшего размера, чем одноосевого.
Обратим внимание и на другие плюсы системы с двумя осями. Курс можно установить дистанционной из кокпита или даже каюты с помощью снасти или какой-то передачи, поворачивающей платформу флюгера. Подшипники выходной оси размещены удобно. Небольшая площадь флюгера снижает риск повреждения в плохую погоду; небольшая масса уменьшает инерцию и ускоряет отклик. Для флюгера меньшего размера легче найти место, где ему не будут мешать разные снасти, рангоут и пр.
Основной недостаток двухосевого флюгера — более сложная конструкция. Сами по себе две оси не представляют никакой проблемы, а вот передача вращения с выходной оси, да еще независимо от выбора курса (вращения платформы) и по возможности с малым трением и — это вызов.
Естественный переход крыла во флюгерное положение при отключенной передаче возможен, но добавляет сложности механике и ухудшает работу в слабые ветра. Вероятно, лучшая идея — просто снимать крыло. Вся конструкция должна быть сделана как можно прочнее, и все же думаю, что в штормовых условиях риск повреждения одноосевого флюгера меньше.
В этом вопросе имеется некоторая свобода. Во-первых, ось установки курса можно наклонить вперед, это даст преимущество, о котором было сказано выше: при усилении ветра и крене флюгер будет реагировать быстрее и сильнее, чем только по уходу с курса. Во-вторых, выходная ось не обязана быть перпендикулярна курсовой. На Pen Duick II она имела наклон к горизонтали 10°. Этот наклон несколько уменьшает отдачу флюгера и увеличивает устойчивость системы к возникновению колебаний, причем эффект оказывает даже такой небольшой наклон.
Причину снижения развиваемой флюгером силы поможет понять рис. 6-10, на котором показаны флюгеры с горизонтальной и наклонной осями. Это вид со стороны ветра; оба флюгера имеют некоторый угол атаки. Для флюгера с горизонтальной осью угол атаки не меняется по мере его поворота, соответственно, отклоняющийся флюгер продолжает давать тот же крутящий момент. Флюгер, ось которого наклонена, при отклонении окажется повернут к ветру передней кромкой, и его угол атаки и подъемная сила упадут до нуля. При одинаковом объеме крутящий момент такого флюгера будет около 1/3 от флюгера с горизонтальной осью.
Рис. 6-10. Влияние наклона выходной оси (вид со стороны, с которой дует ветер).
Стабилизирующий эффект флюгера с наклонной осью будет рассмотрен в следующей главе; он связан с более сильной тенденцией устанавливаться по ветру.
Заметим, что свойства флюгера при переходе от вертикальной к горизонтальной оси изменяются постепенно по мере роста угла наклона от 0 до 90°. Некоторый наклон из-за крена яхты будет иметь и первоначально горизонтальная ось, и этот наклон влияет на свойства флюгера точно так же. Поэтому флюгер с горизонтальной осью на яхте, идущей с креном 20°, будет развивать заметно меньшее усилие управления, чем если бы его ось была действительно горизонтальна.
Выбор зависит от того, каким способом вращение и крутящий момент будут передаваться от флюгера дальше.
Это один из самых простых способов передачи сигнала флюгера на основной или другой руль. На выходную ось ставится барабан, через который проходит линь или трос, получая натяжение при появлении крутящего момента (рис. 6-11).
Рис. 6-11. Флюгер с горизонтальной осью и барабанами для передачи вращения.
Дальше снасти можно провести через блоки и кипы куда угодно, что дает такому варианту большую гибкость (блоки добавляют трение, так что желательно, чтобы их было поменьше).
Большой недостаток способа — пересечение линий сигнала и установки курса, которое ограничивает диапазон поворота флюгера несколько менее, чем половиной окружности. Чтобы можно было задать любой курс, крыло флюгера должно быть сделано симметричным, чтобы его можно было повернуть к ветру любой кромкой. Применяют профиль толщиной 8-10% с двумя острыми кромками (рис. 6-12).
Рис. 6-12. Симметричный профиль, который может стоять к ветру любой из кромок.
Поворачивая флюгер так, чтобы кромки поменялись местами, одновременно надо поменять и направление хода снасти передачи вращения. Если ее ветви идут параллельно (рис. 6-13b), сделать это гораздо легче, чем когда ветви снасти разведены на разные стороны кокпита (рис. 6-13а).
Рис. 6-13. Варианты проводки снасти управления на румпель.
Jock Burroughs предложил простое решение, полностью устраняющее все эти проблемы. Он использовал промежуточный двойной барабан, свободно вращающийся на валу (на шарикоподшипнике). Схема проводки показана на рис. 6-14 и не нуждается в пояснениях.
Рис. 6-14. Проводка J. Burroughs устраняет пересечение снастей и необходимость переворачивания крыла флюгера.
Для проводки предпочтительно использовать мягкий стальной тросик.
Вращение вала флюгера можно передать с помощью конических шестерен на вал, установленный внутри вала установки курса (рис. 6-15). используйте нейлоновые шестерни, не подверженные коррозии. Для экспериментов можно взять и шестерни от передачи сломанного подвесного мотора.
Рис. 6-15. Передача с помощью конических шестерен.
Пожалуй, этот вариант несколько проще шестеренчатой передачи: внутри полого вала размещен шток; вращение вала флюгера с помощью рычага преобразуется в поступательное движение этого штока (рис. 6-16).
Рис. 6-16. Вращение преобразуется в движение штока вверх-вниз.
Во всех рассмотренных вариантах возможна самостоятельная ориентация отключенного от рулевой системы флюгера по ветру, однако это требует выполнения нескольких условий (рис. 6-17):
Если все это так, при отключении обеих валов (установки курса и вращения флюгера) флюгер будет поворачиваться по ветру. Единственный отрицательный эффект такой настройки — уменьшение чувствительности флюгера к слабому ветру из-за утяжеленного противовеса.
Рис. 6-17. Условия, обеспечивающие отключенному флюгеру ориентацию по ветру.
В выпуске трудов AYRS Self-steering 1970 г. Дерек Фоссет (Derek Fawsett) предложил интересную новую конструкцию двухосевого флюгера. В самом простом варианте флюгер очень похож на одноосевой, за исключением того, что он вращается вокруг двух осей, параллельных друг другу (рис. 6-18). Вторая ось служит для установки курса. При изменении угла атаки ветра флюгер поворачивается, сохраняя параллельность исходному положению, таким образом, его подъемная сила и крутящий момент на выходе устройства не снижаются во всем рабочем диапазоне углов поворота.
Здесь крутящий момент выходного сигнала флюгера передает внешний опорный вал, а для установки курса служит внутренний, соединенный с кривошипом. Нагрузка на установочную передачу очень мала. Удачное решение, «вывернувшее» обычную механику двухосевых флюгеров: наружный вал использован для силовой передачи, а более тонкий внутренний механизм — только для передачи информации. Флюгер развивает такую же силу, как при горизонтальной оси, а когда не используется, легко переводится во флюгерное положение. Думаю, это многообещающий вариант.
Рис. 6-18. Двухосевой флюгер конструкции Фоссета.
На малые изменения направления потока могут реагировать разные устройства, которые можно было бы использовать в качестве датчиков для автоматического подруливания. Несомненно, в этой области будут возникать и новые идеи. Сейчас мы рассмотрим только одно устройство, отличное от традиционных флюгеров.
Ветроколеса обычно служат для получения энергии ветра, но ветроколесо может служить и датчиком направления ветра. Такой датчик, как и флюгер, будет иметь ось установки курса и выходную ось сигнала отклонения, но его работа сильно отличается от флюгера. Идея использования ветроколеса была выдвинута Джоном Морвудом (John Morwood) в первом выпуске AYRS Self-steering, но, видимо, не нашла широкого применения.
Рис. 6-19. Применение ветроколеса в качестве датчика направления ветра.
Когда диск ветроколеса стоит параллельно ветру, колесо не стремится вращается, но если ветер заходит сбоку, начинается вращение. При этом крутящий момент увеличивается вместе со скоростью вращения колеса до некоторой предельной величины. Для управления рулем потребуется значительное механическое усиление, но это не проблема: в отличие от угла отклонения флюгера, вращение ветроколеса ничем не ограничено.
Вывод сигнала отклонения может быть сделан с помощью барабана и тросика, но разумно сразу повысить крутящий момент, снизив скорость вращения. Интересна возможность привода руля с помощью гибкого вала (аналогичного применяемым в автомобильных спидометрах) и червячного редуктора (рис. 6-20). Червячная передача дает огромный выигрыш в силе и может быть выполнена с низким трением.
Рис. 6-20. Червячная передача на румпель с приводом от ветроколеса.
Можно немного порассуждать о конструкции ветроколеса. Для плавного старта при малых углах необходимо много лопастей, как минимум 6 или 8. При заданном диаметре ветроколесо (пропеллер) с широкими лопастями будет эффективнее (рис. 6-21а). Оно имеет высокий коэффициент заполнения — отношение общей площади лопастей к ометаемой ими площади.
Угол наклона лопастей (видимый при взгляде на ветроколесо с ребра, со стороны ветра) лучше делать маленьким, около 5° (рис. 6-21b). Дело в том, что в начале вращения колеса основную роль играет разница в сопротивлении лопастей с его разных сторон (сверху и снизу), подъемная сила вступит в игру, когда колесо уже начнет вращаться.
Рис. 6-21. Основные характеристики ветроколеса.
Поскольку ветроколесо должно вращаться в разные стороны, для лопастей следует использовать симметричный профиль с двумя острыми кромками (рис. 6-12).
Крыло флюгера должно быть легким и прочным. Легкость нужна для быстрой реакции флюгера и снижения нагрузки на подшипники. В большинстве случаев крылу желательно придать обтекаемый профиль, по меньшей мере сделать скругленную переднюю кромку и острую заднюю.
Очевидно, проще всего сделать флюгер из плоского и тонкого листа фанеры, но его аэродинамические свойства будут неважными. Довольно гибкое тонкое крыло склонно к флаттеру (вибрации). Гораздо лучшие результаты можно получить одним из следующих способов:
Пенопласту легко придать любую нужную форму. Оклейка одним слоем ткани плотностью 10 унций (около 350 г/м 2 сделает крыло флюгера очень прочным, а двумя слоями — и вовсе неразрушимым. Для работы с полистироловым пенопластом используется эпоксидная смола, с полиуретановым пенопластом можно использовать и эпоксидные, и полиэфирные смолы. В итоге вес крыла получается около 4 кГ/м 2, что сравнимо с 5 мм фанерой.
Можно сделать раму из гибкой алюминиевой трубки и обтянуть ее «чулком» из нейлона (~70 г/м 2). Общий вес крыла получается примерно таким же. Преимущество этого варианта — для хранения или в шторм достаточно снять и убрать тканевый чулок; рама может оставаться на своем месте.
Рис. 6-22. Профили крыла флюгера из ткани на каркасе.
Подшипники ставятся на вращающиеся валы для уменьшения трения и износа; для нас прежде всего важно трение. Чем ниже коэффициент трения, тем меньше и потери на трение под нагрузкой.
Содержащие свинец сорта бронзы широко используют в подшипниках скольжения, поскольку они имеют низкий коэффициент трения в паре со сталью и высокую теплопроводность. Такие подшипники можно использовать для петель навески рулей, однако их следует смазывать, что сомнительно при размещении под водой. В некоторых местах можно ставить втулки из пористой бронзы, пропитанной смазкой. Коэффициент трения бронза/сталь при наличии смазки около 0,1.
В слабо нагруженных местах, где нет опасности износа, пластиковые подшипники скольжения могут заметно уменьшить трение по сравнению с парой металл/металл, при условии, что поверхность металлического вала хорошо отполирована. Посадка не должна быть плотной, так как большинство пластиков немного разбухают при поглощении воды или масла.
Текстолиты на основе феноловых смол (Tufnol, Micarta, Formica, Bakelite) прочны и хорошо обрабатываются, но имеют большой коэффициент трения со сталью, от 0,12 до 0,2. Nylon, Delrin и другие армированные пластики более гладкие, их коэффициент трения от 0,08 до 0,12. Они могут быть с наполнением графитом или дисульфидом молибдена, которые являются смазкой. Самое низкое трение имеет фторопласт (Teflon), его коэффициент трения со сталью (без смазки) 0,05-0,08. Но это довольно мягкий материал, при большой нагрузке он может деформироваться.
Передачи некоторых авторулевых были сделаны с применением только пластиковых подшипников скольжения. Например, авторулевой яхты Mick the Miller, где подшипники из полированного Tufnol стояли и на флюгере, и на вспомогательном руле.
Когда надо снизить трение как можно больше, без них не обойтись. Думаю, мало найдется прочных и чувствительных механизмов, в которых этих качеств удалось добиться без шарикоподшипников. Разнообразие типов, форм и размеров шарикоподшипников бесконечно. К сожалению, обычно они изготавливаются с применением сильно подверженных коррозии сортов высоколегированных сталей. Так как шарики и канавки должны иметь прочные поверхности, используются стали 400-й серии (мартенситные, притягиваются магнитом), которые в морской воде коррозируют намного сильнее, чем 300-я серия (немагнитные аустенитные стали), к которым привыкли яхтсмены. Под водой таким подшипникам нужны цинковые протекторы и обильная смазка, а вот на палубе «нержавеющие» подшипники действительно не требуют особого внимания.
Почти всегда для механизмов авторулевых подходят обычные радиальные шарикоподнипники (рис. 6-23), способные выдерживать как радиальные, так и умеренные осевые нагрузки. Они могут снабжаться уплотнением или защитными кольцами, закрывающими шарики от воды и грязи и удерживающими смазку; трение в таких подшипниках несколько больше.
Рис. 6-23. Радиальный шарикоподшипник.
Правильно установленный шарикоподшипник обеспечивает в 10-100 раз меньшие потери на трение, чем лучший подшипник скольжения. Правильная установка означает точную ориентацию, что требует хорошей станочной обработки деталей. Если вы ощутили, что после установки подшипника на место трение в нем повысилось, вероятно, проблема в неточной ориентации оси. Существуют самоустанавливающиеся подшипники, но не уверен, что найдутся такие из нержавеющей стали.
Новый шарикоподшипник может разочаровать явно туговатым ходом. Промойте его от густой заводской смазки и нанесите каплю легкой. Часто требуется также некоторый период приработки: подшипник должен поработать при высокой скорости вращения и небольшой радиальной и упорной нагрузке до тех пор, пока не станет вращаться совершенно легко. Для использования подшипников на валах авторулевых такая приработка необходима.
Чтобы авторулевой чувствовал слабый ветер, на валу флюгера практически всегда нужен хотя бы один шарикоподшипник, на который приходится нагрузка от крыла и противовеса. Другие места, где может потребоваться шарикоподшипник: на валу установки курса, если отключенный флюгер должен сам вставать по ветру (рис. 6-17); подвеска вспомогательного руля (рис. 5-31); ось А-А сервомаятника (рис. 5-48); ось ветроколеса (рис. 6-19); возможно, и оси в передаточном механизме.
Блоки с шариковыми или роликовыми подшипниками будут полезны и для проводки снастей при подруливании тягой шкотов.
Для установки курса и подключения флюгера к передаче предложено много приспособлений; остановимся только на некоторых:
Шестерня или звездочка — самый популярный вариант.
Рис. 6-24. Для фиксации положения зубчатого колеса можно использовать защелку или червяк.
При использовании простой защелки точность настройки определяется числом зубьев: например, если их 36, курс можно будет устанавливать с шагом 10°, что большинство яхтсменов сочтут недостаточным. Если зубьев слишком много, они окажутся мелкими и непрочными. Ставьте шестерню большого диаметра; а фиксатор-защелка должна захватывать несколько зубьев, не меньше четырех. Хорошая мысль — использовать червячный привод, так как он позволяет устанавливать курс (поворачивать колесо) плавно и непрерывно.
Традиционное решение, возможно, самое популярное. Используются стандартные детали, доступные в большом ассортименте.
Тонкая настройка проблематична, зато за те же деньги вы можете соорудить уйму таких сцеплений. Я видел одно на яхте, которая прошла с авторулевым 5000 миль, после чего все-таки пришлось поменять хомут.
Все аналогично зубчатым колесам, но такой вариант проще сделать в домашней мастерской.
Рис. 6-25. Варианты фиксаторов для установки курса.
Многие из нас видели, как новички впервые пытаются управлять яхтой. Не чувствуя реакцию судна, начинающий рулевой не соизмеряет с ней интенсивность и длительность своих усилий и слишком сильно дергает румпель. В результате происходит переруливание: отклонившаяся от курса яхта не только возвращается на курс, но продолжает поворачивать, отклоняясь уже в другую сторону. Новичок начинают свою жизнь рулевого с движения по некоей волнообразной кривой. Немного практики, и он привыкает работать рулем плавно и понемногу, соразмеряя свои действия не только с величиной отклонения от курса, но и с тем, как быстро яхта уходит с курса. Когда затем начинающий рулевой встает за румпель более крупной яхты или к штурвалу, снова требуется некоторое время, чтобы приобрести чувство руля и вести яхту по прямой.
Флюгерный авторулевой может вести себя таким же образом, но, к сожалению, он ничему не учится: обработка входной информации и управление встроены в механику. Единственный способ чему-то научить ваш агрегат — вернуться в мастерскую, предварительно разобравшись, в чем дело и что следует изменить.
Симптом переруливания — волнообразное движение, обычно с периодом 10-20 длин корпуса или от 10 с до минуты по времени, причем курс колеблется независимо от заходов ветра. Заметить это можно по компасу, створам береговых ориентиров, по кильватерному следу. Только не забывайте, что авторулевой ведет лодку по вымпельному ветру, поэтому след движения так или иначе отражает его изменения. Колебания могут быть невелики, всего несколько градусов — яхта идет по широкой дуге. Пока размах отклонений невелик, дополнительное расстояние, которое яхта проходит из-за отклонений от прямой, пренебрежимо мало (см. стр. 228), но ощутимые колебания курса все-таки раздражают. Если вы куда-то спешите, то не станете терпеть за румпелем новичка, который ведет яхту зигзагом.
Кроме того, колебания курса приводят к изменению крена и звуковой картины моря и яхты. Все это отвлекает внимание и нарушает гармонию плавания под парусами.
Есть целый ряд причин, которые могут вызвать переруливание:
Трение покоя в любом из звеньев механической передачи от флюгера до руля приведет к тому, что яхта должна будет уже сильно отклониться от курса, чтобы корректирующая сила оказалась достаточной и стронула с места детали механизма. Когда дело в трении, симптом проблемы — движение флюгера отрывистыми толчками. Лечение понятно: более качественные подшипники.
В сложном механизме по мере передачи движения от одной детали к другой накапливаются люфты, вызванные неточным прилеганием частей, неплотной посадкой и т.п. В результате на входе устройства уже может происходить некоторое шевеление, а выход об этом еще «не догадывается». Если флюгер поворачивается более чем на 2-3°, а руль еще остается неподвижным, такой люфт уже приведет к ощутимым колебаниям. Устранение этой проблемы требует применения более точной обработки деталей и сведения их количества при передаче движения к минимуму. Применение шарикоподшипников способствует уменьшению как люфтов механизма, так и трения.
Естественно, инерция вращения деталей, прежде всего крыла флюгера с противовесом, уменьшает чувствительность системы к изменению направления ветра или курса. Если флюгер массивен и имеет большую инерцию, яхта поворотлива, а рулевое управление мощное, возможна ситуация, когда колебания флюгера окажутся в одной фазе с рысканием яхты, что и приведет к колебаниям курса. Необходимое лечение состоит в уменьшении массы и радиуса поворота вращающихся частей. Можно установить и более тяжелый, но находящийся ближе к оси противовес.
Необходимо также уменьшить силу управляющего воздействия. В итоге необходимо добиться, чтобы период колебаний флюгера был намного короче, чем период рыскания яхты.
Применяя балансирный руль (системы подруливания), можно получить очень мощное управляющее воздействие, и это представляет собой проблему. Выше упоминалась возможность перебросов руля при подруливании триммером или сервомаятником. В качестве еще одного примера рассмотрим полностью балансирный вспомогательный руль, приводимый в движение флюгером с горизонтальной осью. Яхта идет фордевиндом (рис. 7-1).
Рис. 7-1. Нестабильное сочетание мощного флюгера и балансирного руля.
Если яхта немного уйдет с курса, авторулевой начнет работать и поворачивать руль. Но полностью балансирный руль не окажет никакого сопротивления и будет поворачиваться, пока не произойдет срыв потока. Такая сильная реакция не только вернет яхту на курс, но и сильно уведет в другую сторону, после чего процесс повторится в обратном направлении. Вероятно, начнутся резкие колебания с перебросом руля и поворотами фордевинд, как если бы яхтой управлял рулевой, понимающий только две команды: «Право на борт!» и «Лево на борт!».
В этой ситуации мог бы помочь наклон оси флюгера вперед, который обеспечил бы некоторую обратную связь от руля к флюгеру.
Любой автопилот, реакция которого пропорциональна углу отклонения от курса, имеет предпосылки для возникновения колебаний. Почему? Чтобы понять это, рассмотрим две очень простые механические системы, в которых возникают колебания.
Вот груз, неподвижно висящий на растянувшейся пружине. Равновесие. Если сместить груз от этого положения, сила тяги пружины изменится прямо пропорционально величине смещения. Например, груз подняли вверх, пружина сжалась и тянет слабее. Если груз отпустить, он начнет падать вниз, к равновесному положению. Но по пути наберет некоторую скорость, и инерция заставит его проскочить положение равновесия. Возросшая тяга пружины остановит его и затем заставит двигаться вверх, снова набрать скорость и проскочить равновесие.
Рис. 7-2. Простые гармонические колебания в системе груз - пружина.
Если бы не трение, такие колебания продолжались бы бесконечно. Их период зависит от жесткости пружины и массы груза, а размах (амплитуда) может быть любым, его величина зависит только от начального отклонения.
Второй пример будет ближе к нашей теме. Это флюгер с вертикальной осью, свободно вращающийся на идеальных подшипниках (рис. 7-3). У него тоже есть равновесное, флюгерное положение: точно по направлению ветра. Если вывести флюгер из этого положения, давление ветра будет стремиться вернуть его обратно с силой, которая до момента срыва потока будет пропорциональна углу отклонения (углу атаки). И тут флюгер по инерции пройдет положение по ветру и отклонится в другую сторону, но в потоке воздуха будет происходить быстрое затухание возникших колебаний.
Рис. 7-3. Затухающие колебания флюгера.
Теперь перейдем к яхтам. Яхта, поворачивающаяся вокруг вертикальной оси, проходящий через ее центр тяжести, также обладает инерцией этого вращательного движения, которая стремится отклонить ее в другую сторону от курса. Роль пружины, дающей возвращающую силу, здесь играет создаваемый рулем крутящий момент, который, в свою очередь, пропорционален отклонению от курса — насколько авторулевой почувствовал это отклонение. При отсутствии затухания возникли бы колебания с периодом, зависящим от момента инерции всей яхты и крутящего момента, который может создать руль.
Затухание (демпфирование) колебаний происходит, когда в системе действуют дополнительные силы или моменты, пропорциональные скорости движения. Для яхты это сопротивление рысканию, в той или иной степени присущее любому судну. В зависимости от положения ЦТ яхты сопротивление рысканию может как возрастать, так и уменьшаться (см. рис. 2-15). Факт, что одни яхты имеют отличное сопротивление рысканию, другие очень малое, а некоторые даже отрицательное — они заведомо нестабильны на курсе.
Пояснение: при наличии в колебательной системе демпфирования амплитуда колебаний с течением времени уменьшается, и они затухают. Если, наоборот, нечто подталкивает колебания (говорят об отрицательном демпфировании), их амплитуда растет, система идет вразнос (рис. 7-4). Такое состояние называют динамическая потеря устойчивости.
Рис. 7-4. Затухание в колебательных системах.
Итак, можно сделать вывод: яхта с авторулевым, который выдает воздействие на руль, пропорциональное отклонению от курса, будет склонна к колебаниям курса. Будут ли эти колебания затухающими или, наоборот, усиливающимися, зависит не только от профиля подводной части и длины киля, но также (причем сложным образом) от соотношения положений ЦТ и ЦГС. Эта зависимость не вполне понятна, но, в любом случае, изменить ее вряд ли возможно. К счастью, при необходимости гораздо проще внести дополнительное демпфирование в работу авторулевого. Очень легко также (если вы не были осторожны) сделать передачу от флюгера к рулю с разгоном вместо демпфирования и превратить устойчивую на курсе яхту в шарахающуюся из стороны в сторону!
Прежде всего необходимо оценить, как ведет себя при рыскании сама яхта. Для этого не потребуется специального оборудования, но на борту должно быть два человека, а лучше проводить испытание втроем. Один за рулем, другой считывает показания компаса. Третий следит за окружающей обстановкой, чтобы первые двое не отвлекались.
Никакого экстрима: умеренный ветер, умеренная парусность. Положите яхту на удобный для управления курс от полного бейдевинда до бакштага. Прикрепите около румпеля дощечку поперек кокпита и нанесите на нее шкалу для измерений: посередине выбранный компасный курс, а вокруг — градусные деления, как на картушке компаса (рис. 7-5).
Рис. 7-5. (a) Оснастка для оценки сопротивления рысканию на яхте с румпельным управлением; (b) шкала в градусах.
Пусть член экипажа, следящий за компасом, непрерывно громко говорит курс, которым идет яхта. Для начала опыта рулевой выбирает момент, когда яхта отклонится от заданного курса, скажем, на 10°, и с этого момента держит румпель по шкале под таким же углом, которым идет яхта по показаниям компаса. Надо смотреть только на шкалу и держать румпель на отметке названного курса, не обращая внимания ни на ветер, ни на паруса, ни на что больше. Таким способом экипаж имитирует работу простейшего флюгерного авторулевого, задавая рулю угол отклонения, прямо пропорциональный отклонению яхты от курса. Продолжайте опыт несколько минут, пока не станет понятно, как ведет себя яхта.
Если курс меняется слишком быстро и рулевой не успевает отрабатывать команды по показаниям компаса, или показания трудно считывать из-за быстрого изменения, для получения осмысленных результатов методику придется немного изменить (задержка по времени между появлением показаний курса на компасе и установкой руля в соответствующее положение делает поведение яхты менее стабильным, и ее сопротивление рысканию будет недооценено). Закройте старую шкалу листом бумаги и нанесите на нем новую шкалу, расположив на ней градусные отметки гораздо ближе друг к другу. Чтобы период колебаний курса вырос вдвое, отметки должны стоять примерно в 4 раза ближе, чем при первой попытке. (Не имеет никакого значения, отвечают ли эти старые или новые отметки фактическим углам отклонения румпеля и руля — важна только равномерность углов шкалы).
Прикрепите к рулю изолентой изогнутую жесткую проволоку так, чтобы она служила указателем для новой шкалы. Необходимо добиться, чтобы период колебаний курса вырос по крайней мере до 20 секунд.
Проведя рад таких экспериментов, вы сможете отнести поведение своей яхты к одному из следующих типов:
После отклонения каждый раз происходит плавное возвращается на курс; отклонение в противоположную сторону отсутствует (рис. 7-6а). На такую яхту можно поставить практически любой флюгерный авторулевой, переруливания и колебаний. Если возвращение на курс слишком медленное (более чем 3-4 длины корпуса), можно специально предусмотреть в передаче усиление управляющего воздействия для уменьшения времени реакции.
Происходит несколько уменьшающихся колебаний, и яхта возвращается на курс (рис. 7-6 b). Установка вспомогательного руля или сервомаятника должна достаточно увеличить сопротивление рысканию, нет необходимости предусматривать ослабление сигнала в передаче. Если будет применяться привод основного руля от двухосевого флюгера, вероятно придется вводить дополнительное демпфирование. Работа с триммером на основном руле будет удовлетворительна только при сильном демпфировании в передаче.
Яхта совершает колебания около заданного курса, размах которых не уменьшается (рис. 7-6 с). Сомнительно, что какая-либо из систем сможет работать с основным рулем (кроме маятниковой). Следует рассчитывать на то, что основной руль для увеличения сопротивления рысканию придется закреплять, а для подруливания использовать вспомогательный.
Т.е. разгон колебаний. Их размах увеличивается, и эксперимент приходится прервать во избежание поворота на другой галс (рис. 7-6d). Для такой своенравной яхты возможности управления флюгерным авторулевым сильно ограниченны: может подойти сервомаятник или большой балансирный вспомогательный руль в сочетании с мощным демпфированием, обеспечиваемым механизмом передачи.
Рис. 7-6. Возможные результаты теста на сопротивление рысканию.
Каким же чудесным образом передача между флюгером и рулем может обеспечить все эти функции — сделать неустойчивую на курсе лодку устойчивой и наоборот, управлять демпфированием колебаний и временем реакции всей системы подруливания? На этот счет есть много мнений, часто сумбурных. Некоторые статьи туманно ссылаются на обратную связь и дифференциальные передачи, в других приводят диаграммы, отражающие повышение стабильности для конкретных флюгеров, рулей и яхт. Несколько авторов совершенно корректно описали функцию затухания в системах с дифференциальной передачей между одноосевым флюгером и сервомаятником, но подход к другим комбинациям не стал яснее. Buchan и Flewitt в статье, опубликованной в Royal Institution of Naval Architects Quarterly Transactions, v. 110, pp. 347-361, 1968, пришли к теоретическому выводу, что обратная связь руля и дифференциалов не оказывает влияния на затухание колебаний, и возложили «вину» на инерцию вращения флюгера.
По сути, все детали руля, флюгера и передачи между ними оказывают выраженное влияние на затухание колебаний, но описание этих эффектов в терминах обратной связи недостаточно конкретно. При этом включение в механизм передачи дифференциального механизма не является необходимым.
Чтобы избежать путаницы с предыдущими случаями употребления термина затухание, далее я буду называть эффект, связанный не с собственными свойствами яхты, а исключительно с механизмом авторулевого, передаточным демпфированием (в оригинале — synthetic damping).
Причины возникновения передаточного демпфирования связанные с ними особенности конструкции различны для каждого из сочетаний флюгеров и рулей. Мы рассмотрим несколько конкретных комбинаций и на их основе сформулируем несколько общих принципов.
Установка вспомогательного руля позволяет закрепить основной руль, который при этом максимально демпфирует рыскание. Вспомогательный руль тоже увеличивает демпфирование. Механизм здесь простой. Когда лодка поворачивает (например, направо), вращаясь вокруг центра гидродинамических сил, вращение вызывает на уровне руля поперечный компонент скорости потока, приходящий слева (рис. 7-7).
Рис. 7-7. Результирующий угол атаки на руле (см. также рис. 2-14b).
Когда руль закреплен или прочно удерживается передачей и флюгером, он создает значительный крутящий момент к правому борту, противодействуя повороту. При свободном руле (когда передача не препятствует вращению руля), руль повернется по потоку (если только он не полностью балансирный) и не создаст никакого сопротивления повороту. Полностью балансирный руль даст максимальное сопротивление рысканию, так как он не стремится установиться по потоку. При таком руле ставить подшипники для уменьшения трения и принимать другие меры для лучшего демпфирования нет смысла.
При не полностью балансирном руле его развороту по потоку препятствует флюгер. Демпфирование можно улучшить, увеличив объем флюгера и/или передаточное отношение.
Чтобы работа триммера демпфировала колебания курса, при фиксированном положении флюгера поворот руля должен приводить к такому отклонению триммера, чтобы он препятствовал повороту руля. Поскольку триммер навешен на руль и обтекается потоком, сходящим с руля, углы атаки флюгера, руля и триммера взаимосвязаны между собой. Поворачивающийся руль меняет положение триммера, которое через передачу влияет на флюгер, а он, в свою очередь, управляет рулем. Такую картину называют обратная связь от руля.
Реализующая эту связь механика может быть и очевидной (шестерни, передача шкивами и тросами), и настолько простой, что ее трудно увидеть в этой «маскировке». В последнем случае можно получить сильную положительную обратную связь и неустойчивость системы, когда вы этого совершенно не ожидаете. Так ведут себя многие авторулевые, описанные в журнальных статьях и выпускаемые серийно.
Простейший вариант соединения флюгера с триммером — непосредственная связь: и флюгер, и триммер закреплены на общем вертикальном валу (рис. 7-8).
Рис. 7-8. Непосредственное соединение флюгера и триммера дает положительную обратную связь, ведущую к росту колебаний.
Это пример системы с положительную обратную связью, иначе говоря, отрицательным передаточным демпфированием. Когда флюгер закреплен на валу, отклонение руля приведет к повороту триммера на такой же угол в противоположную сторону, что заставит руль отклониться еще больше. Такой авторулевой может работать только на судне с очень высоким сопротивлением рысканию, на большинстве яхт он будет жестко «переруливать».
Бернар Муатисье (Bernard Moitisseur) писал о работе такого авторулевого на Joshua (которая имела особенно длинный и глубокий киль):
Аналогичное сообщение я получил от Фрэнка Роггенбэнка (Frank Rogganbank), который использовал такую систему на вспомогательном руле своей Sea Love в тихоокеанских переходах. На его яхте был довольно длинный плавниковый киль с навешенным на него рулем, который оставался закрепленным.
Если флюгер установлен не на руле, а на корпусе яхты, можно сделать систему с любым знаком обратной связи, от эффективного демпфирования до разгона (рис. 7-9). Это зависит, прежде всего, от того, где находится штифт, соединяющий рычаги поворота вала флюгера и вала триммера: позади оси руля, на ней или перед ней.
Рис. 7-9. Варианты обратной связи для руля с триммером.
Между прочим, был случай, когда Buchan и Flewitt допустили в своей статье ошибку, не приняв во внимание силу на руле, возникающую вследствие рыскания. Редактор Yachting World Bernard Haymann, который не был математиком, не побоялся противопоставить свое мнение всем дифференциальным уравнениям и диаграммам устойчивости — он просто сказал авторам, что они ошибаются. Его убежденность, что именно обратная связь между рулем и триммером определяет устойчивость курса, вдохновила меня глубже заняться теорией. Когда явления на руле были правильно включены в анализ, появились и все варианты передаточного демпфирования!
Вклад сервомаятника в сопротивление рысканию можно рассмотреть аналогично, учтя компонент скорости потока, возникающий при рыскании как окружная скорость у лопасти. Возьмем тот же пример: яхта уходит с курса вправо. Маятник получает дополнительную скорость потока слева и создает подъемную силу, направленную вправо, против начавшегося поворота. Затем он отклонится и при этом тросами повернет перо основного руля влево, т.е. также против ухода с курса (см. рис. 5-48). Одновременное действие этих сил делает сервомаятник потенциально самым эффективным вариантом для борьбы с рысканием, но для реализации этой эффективности нужна соответствующая конструкция передачи.
Здесь ключ противодействия рысканию формулируется так: при закрепленном флюгере поворот сервомаятника вокруг вертикальной оси А-А должен происходить в ту же сторону, что и поворот руля. На рис. 7-10 таким свойством обладает вариант (а), так как короткий румпель сервомаятника (к которому прикреплены тросы, поворачивающие румпель основного руля), находится выше горизонтальной оси маятника В-В. Если румпель будет на одном уровне с осью В-В, демпфирование все еще происходит, а вот в варианте с румпелем ниже оси, когда поворот сервомаятника и поворот руля направлены навстречу друг другу, оно становится отрицательным, т.е. начнется разгон колебаний.
Рис. 7-10. Для сервомаятника с румпелем тип обратной связи зависит от направления движения румпеля. Если румпель выше оси В-В, он при качании маятника пойдет в сторону, противоположную лопасти, а если румпель ниже оси В-В, он отклонится в одну сторону с лопастью (при этом руль повернется навстречу лопасти, а колебания курса усилятся).
Слишком мощный авторулевой может просто давать усилие больше, чем требуется для адекватного парирования ухода с курса. Это может случиться с балансирным рулем независимо от вида руля и флюгера. Балансирный руль не дает обратной связи по углу поворота, и ослабления воздействия не происходит. Зато балансирный руль дает максимальное сопротивление рысканию и хорош тем, что не требует больших размеров флюгера и сервокрыла (маятника или триммера). Можно ли использовать преимущества балансирного руля, не рискуя получить на нем избыток мощности?
Да, можно — если устроить обратную связь от руля другим способом. Отправив информацию об угле отклонения руля на триммер, маятник или флюгер, будем «просить» их умерить свое давление, что и даст плавное и стабильное управление балансирным рулем. Рассмотрим несколько примеров:
Если выходная ось флюгера горизонтальна, вращение руля должно передаваться обратно на ось установки курса. Стабильная работа будет достигнута, если при повороте руля флюгер поворачивается в противоположную сторону.
Иначе говоря, диск с флюгером при уходе с курса повернется не вместе с яхтой, а меньше, чем следовало бы, и реакция авторулевого будет ослаблена. Проиллюстрируем это дополнительным рисунком.
(1) — галфвинд, яхта на курсе;
(2) — уход с курса влево, на ветер: диск установки курса повернулся вместе с яхтой, флюгер заработал и что есть силы повернул руль на уваливание;
(2) — то же самое, но некий дополнительный механизм одновременно повернул диск с флюгером в противоположном направлении, в результате угол атаки флюгера получился меньше и авторулевой действует слабее.
 |
Пример такого решения показан на рис. 7-11. Предположим, яхта идет фордевиндом, и ветер заходит на 5° с правого борта. Флюгер отклоняется влево и поворачивает румпель на правый борт на 15°. При отношении передачи 3:1 флюгер при этом повернется вокруг курсовой оси на 5° и окажется установлен по ветру, с нулевым углом атаки. Передача усилия на руль прекратится. По мере поворота яхты налево флюгер будет плавно уменьшать угол отклонения руля, который всегда будет в 3 раза больше текущей ошибки курса. Когда яхта повернет на 5° влево и снова будет на фордевинде, руль и флюгер снова окажутся в среднем положении.
(Обратный пример показан на рис. 7-12. Флюгер и руль поворачиваются в одну и ту же сторону. Это «невидимая» положительная обратная связь, которая даст очень сильный дестабилизирующий эффект.
Рис. 7-11. Отрицательная обратная связь от руля к флюгеру, стабилизирующая работу мощного авторулевого.
(Передача от флюгера на руль не показана, см. рис. 7-1).
Рис. 7-12. Неявная положительная обратная связь от руля к флюгеру.
Теперь покажем, что наклон выходной оси флюгера даст точно такой же эффект, как специальный механизм обратной связи. Разница между флюгерами с горизонтальной и наклонной осью состоит в том, что поворот флюгера вокруг выходной оси приводит к уменьшению угла атаки (см. рис. 6-10). Пусть передача от флюгера к рулю обеспечивает равные углы их отклонения, и налицо обратная связь: поворот руля уменьшает угол атаки флюгера.
Если использовать передачу с отношением флюгер : руль 3:1 (отклонение флюгера на 45° соответствует отклонению руля на 15°), то наклон оси всего на 5° будет эквивалентен устройству на рис. 7-11, причем система авторулевой-яхта будет вести себя точно так же.
В этом случае задачу обратной связи можно сформулировать так: когда руль поворачивается, триммер должен поворачиваться так, чтобы препятствовать повороту руля. Например, как на рис. 7-9: с помощью короткого румпеля триммера, заканчивающегося позади оси подвески руля. Когда триммер под действием флюгера повернется и заставит поворачиваться руль, поворот руля, в свою очередь, будет уменьшать угол поворота триммера, пока они не окажутся на одной линии. Иначе говоря, руль «присматривает» за триммером, стараясь чтобы триммер перестал его отклонять. При наличии такой отрицательной обратной связи маленький триммер обеспечит плавное управление большим балансирным рулем.
Обратную связь можно ввести аналогичным образом, чтобы поворот руля уменьшал угол поворота лопасти маятника вокруг вертикальной оси А-А.
Таким образом, для авторулевых всех типов можно избежать переруливания и увеличить стабильность работы. Наиболее эффективным с точки зрения сопротивления рысканию и эффективности управления является полностью балансирный руль, однако для любого руля обратная связь, зависящая от его угла отклонения, играет важную роль: для балансирного руля она управляет действующей на руль силой, для небалансирного демпфирует колебания курса. В большинстве авторулевых эта особенность передачи является ключевым моментом для предотвращения переруливания.
Как мы определили ранее, под передачей будем понимать механизм, связывающий флюгер с рулем и передающий на руль сигнал ошибки курса. Чаще всего этот сигнал является крутящим моментом; в простейшем случае прямой связи он непосредственно поступает на руль. Чаще применяется увеличение крутящего момента за счет уменьшения угла поворота. Часто передача позволяет учитывать вместе с ошибкой курса и другую информацию, что улучшает качество работы авторулевого.
Используемые в механизме передачи средства могут быть самыми разными: шестерни, рычаги, цепи и тросы, любые комбинации этих деталей. Выбор полностью зависит от требований к конкретной установке; идеал, к которому надо стремиться — отсутствие трения, люфтов и износа, общая механическая стойкость.
В ряде случаев необходимо выработать общий выходной механический сигнал из двух входных. Эту задачу решают дифференциальные передачи (дифференциалы). Например, если требуется соединить сигнал поворота флюгера с сигналом поворота руля и сформировать выходной сигнал поворота триммера, такую передачу можно изобразить блок-схемой, показанной на рис. 8-1.
Рис. 8-1. Блок-схема передачи с обратной связью, при которой руль поворачивает флюгер на курсовой оси.
Реализовать эту схему можно с помощью ременной передачи (рис. 8-2), коромысла (рис. 8-3), шестерней или гидравлики (рис. 8-4).
Рис. 8-2. Тросовый дифференциал.
Угол поворота триммера = 3/4 угла поворота флюгера - 1/4 угла поворота руля.
Рис. 8-3. Дифференциал с коромыслом.
Угол поворота триммера = 1/3 угла поворота флюгера - 1/3 угла поворота руля.
Рис. 8-4. Дифференциалы с шестернями и гидравликой.
Во всех этих вариантах результат работы выражается соотношением
угол отклонения триммера = G * угол отклонения флюгера + F * угол отклонения руля,
где G и F определяются соотношением размеров механических деталей передачи.
Коэффициент F отражает роль обратной связи от руля (feedback), от которого зависит демпфирование отклонений от курса, G — передаточное отношение флюгер–триммер, влияющий на мощность системы (усилие на руле).
Дифференциальные передачи находят также применение для дистанционной установки курса. Примером может служить передача с подвижной кареткой (рис. 8-5), для которой
угол поворота руля = изменение курса – угол поворота флюгера.
Рис. 8-5. Флюгер с подвижной кареткой.
Для дистанционной установки курса при флюгере с горизонтальной осью и наличии обратной связи с рулем также потребуется дифференциал, реализующий соотношение, например,
угол поворота флюгера = изменение курса – 1/10 * угол поворота руля (рис. 8-6).
Рис. 8-6. Объединение дистанционной установки курса и обратной связи от руля.
В простейших авторулевых, подобных стоявшему на Mick the Miller, передача может служить только для изменения направления поворота валов. Но на самом деле передача Mick... выполняла еще одну функцию: меняя положение соединяющего рычаги с прорезями штифта (рис. 8-7), можно было изменять передаточное отношение G: угол поворота руля = G * угол поворота флюгера. Подобное решение применялось и во многих других авторулевых.
Рис. 8-7. Передача с настраиваемой редукцией.
Какое значение для работы авторулевого имеет этот коэффициент и нужна ли его настройка?
Понижающая передача увеличивает крутящий момент, который нужен для преодоления трения и гидродинамических сил на руле. С такой передачей маленький флюгер даст такой же крутящий момент, как большой без нее. Но при росте момента пропорционально снижается и передаваемый угол поворота. Например, показанная на рис. 8-8 зубчатая передача увеличивает крутящий момент втрое, но поворот руля составит только 1/3 от поворота флюгера.
Рис. 8-8. Передача с фиксированным G = 1/3.
По сравнению с G = 1, чтобы получить на руле такое же воздействие, флюгер должен будет отклониться втрое дальше, т.е. яхта отклонится от курса втрое больше. Это имеет два следствия: 1) в сильные ветра на полном бакштаге и фордевинде авторулевой будет хуже справляться с нестабильностью курса и раньше потребует вмешательства; 2) во всех случаях усилится тенденция реагировать не только на направление, но и на силу ветра, так как при порыве яхта должна будет привестись втрое больше, прежде чем авторулевой повернет румпель на ветер.
К авторулевым, использующим одноосевой флюгер, применимы те же самые рассуждения. Увеличение выигрыша в силе (понижение G) позволяет применить флюгер меньшего размера, но делает систему менее эффективной и увеличивает чувствительность к силе ветра. Дать количественные рекомендации здесь трудно. Я за маленькие флюгеры, но и за эффективное управление. Думаю, что размер руля следует выбирать исходя из рекомендаций, приведенных в главе 5. Передаточное отношение G между 1 и 1/2 (отклонение руля / отклонение флюгера) должно дать с одноосевым флюгером удовлетворительный результат.
Значительно больший угол поворота такого флюгера благоприятно для понижающей передачи. Очевидно, было бы расточительно применять прямую передачу 1:1, так как лишь небольшое отклонение флюгера использовалось бы до момента срыва потока на руле. Флюгер с горизонтальной осью способен без уменьшения крутящего момента поворачиваться на 45°, а срыв потока на руле произойдет при угле атаки около 15° таким образом, G = 1/3 позволит полностью использовать возможности как руля, так и флюгера.
На самом деле, при умеренном ветре я получал удовлетворительные результаты при G = 1/20 ( 20° отклонения флюгера дают 1° отклонения руля) при использовании частично балансирного основного руля, а вот при G = 1/40 движения румпеля уже были слишком малыми. В этой системе передача была тросовой и позволяла легко настроить начальное положение румпеля.
Подчеркну еще раз: понижение передачи ограничивается происходящим при этом усилением реакции на изменение скорости ветра. Чем ниже G, тем меньше диапазон скоростей ветра, в котором авторулевой сможет держать курс без дополнительной настройки.
Поскольку с передаточным отношением можно экспериментировать, я рекомендовал бы так и сделать. Когда вы найдете оптимальное для своей системы и яхты G, делать его регулируемым в окончательной конструкции авторулевого необходимости нет — это только усложнит механизм и понизит его надежность.
Величина G важна главным образом для работы в тяжелых погодных условиях. Не будет никакого вреда, если сделать G больше, чем требуется в слабые ветра.
Частота колебаний яхты с авторулевым на курсе (с демпфированием или без него) непосредственно зависит от G. Рассматривая систему как простой гармонический осциллятор с инерцией вращательного движения яхты и пропорциональным отклонению возвращающим моментом, который дает авторулевой (см. здесь), мы видим, что возвращающий момент пропорционален G. Это означает, что частота колебаний пропорциональна квадратному корню из G. Если колебания курса яхты слишком быстрые и вызывают дискомфорт, или их частота близка к собственной частоте колебаний флюгера и не получается эти колебания демпфировать, можно попробовать их хотя бы замедлить, уменьшив G. Иногда такое замедление делало демпфирование несколько эффективнее (по этой причине в ранних конструкциях авторулевых часто предусматривали регулировку передаточного отношения). Но это слабый эффект, на который не стоит полагаться. Лучше не усложнять конструкцию передачи.
В предыдущей главе мы подробно рассмотрели работу обратной связи руль – флюгер и ее использование для передаточного демпфирования. Для одноосевого флюгера, работающего с сервоусилением (маятником или триммером), блок-схема работы с обратной связью показана на рис. 8-9. В этом случае используют дифференциал, обеспечивающий соотношение:
угол (отклонения) маятника или триммера = G * угол триммера + F * угол руля.
Рис. 8-9. Блок-схема обратной связи для 1-осевого флюгера с сервоусилением.
Для двухосевого флюгера схема выглядит иначе (рис. 8-10), а механизм передачи реализует два отдельных соотношения:
угол руля = G * угол флюгера,
угол установки курса = F * угол руля.
В обоих случаях знак и величина коэффициента обратной связи от руля F определяет знак и величину передаточного демпфирования.
Рис. 8-10. Блок-схема обратной связи для 2-осевого флюгера.
Как мы видели, необходимая глубина обратной связи зависит от сопротивления рысканию, присущего самой яхте. Слишком малое или, тем более, отрицательное передаточное демпфирование приведет к колебаниям курса и переруливанию. Слишком большое демпфирование замедлит реакцию яхты на заходы ветра и снизит мощность управления, так как через петлю обратной связи руль «борется сам с собой».
При правильной настройке обратной связи колебания курса затухают, но быстрая и живая реакция системы на изменения направления ветра сохраняется. Хорошее поле для экспериментов с конкретной яхтой! Очень рекомендую заняться ими на стадии работы с макетом авторулевого, предусмотрев для этого регулировку обратной связи от отрицательной до положительной. Поскольку оптимальная обратная связь зависит от скорости яхты и других условий плавания, разумно оставить регулировку F и в окончательной конструкции; в этом больше смысла, чем в регулировке передаточного отношения.
Придя к таким теоретическим заключениям, я подумал, что теперь пора проверить их на опыте. Идея состояла в том, чтобы сделать флюгерный рулевой, в котором все можно было бы настраивать, и заняться ходовыми испытаниями, систематически меняя параметры и наблюдая поведение яхты.
В 1970 г. Боб Карсон (Bob Carson) дал мне для этого на пару недель яхту Bess, Sailmaster-22. Это стеклопластиковый шлюп, компромисс по проекту Sparkman and Stephens, постройки Sailmaster Inc, Нью-Йорк. Поскольку ее руль помещался под корпусом, я сделал систему из флюгера на вертикальной оси и вспомогательного руля с триммером. Все это монтировалось на транце с помощью зажимов.
Настраиваемый авторулевой на транце Bess.
Ниже приведены основные данные яхты; схема передачи показана на рис. 8-11.
Рис. 8-11. Настраиваемые передачи отклонения от флюгера на триммер (а) и обратной связи от руля на триммер (b).
| Длина LOA | 22' | 6,7 м |
| По ватерлинии LWL | 16'6" | 5,0 м |
| Ширина Beam | 7' | 2,1 м |
| Осадка Draft | 2'4" -- 5' | 71 -- 152 cм |
| Парусность Sail | 228 sq' | 21 кв.м |
| Водоизмещение Displ. | 3650 lb | 1650 кг |
Объем вспомогательного руля был таким же, как основного, примерно 24 фт3 (0,71 м3).
Можно было регулировать:
Объем триммера 0,25 фт3 (0,0071 м3) был фиксирован. Передача объединяла в передаваемом на триммер повороте движения флюгера и руля (рис. 8-11):
угол триммера = G * угол флюгера + F * угол руля.
Для оси флюгера использовались шариковый и роликовый подшипники, трение и люфты во всем механизме сведены к минимуму.
Эксперименты вполне удовлетворительно подтвердили теорию. Основные результаты были такими: G влияет на работу слабо; наблюдалось уменьшение периода колебаний для больших G. Без обратной связи (F = 0) малые величины G обычно уменьшали размах колебаний. Влияние F было явно выраженным. На рис. 8-12 показана запись курса (по показаниям компаса) в зависимости от длины пути для ряда значений F.
Рис. 8-12. Треки движения Bess при разных отношениях обратной связи. Передаточное отношение G = 1/2 везде. Путь показан числом длин корпуса. a) F = 1/2, курс неустойчив; b) F = 0, постоянное рыскание; с) F = -1/2, демпфирование; d,е) чрезмерное демпфирование.
Сопротивление рысканию яхты самой по себе было незначительным. С помощью простой перестановки поводка рычага из одного отверстия в другое можно было менять демпфирование от положительного до отрицательного (т.е. разгона колебаний). Для Bess оптимальным оказался коэффициент F = -1/2, причем эта величина не менялась как при изменении собственных объемов руля и триммера, так и при менявшейся силе ветра. С единственным исключением: яхта хорошо и стабильно шла фордевиндом с поставленной «на бабочку» генуей (без гика) при F = -1, а при F = -1/2 рыскала вплоть до потери ветра и переброса паруса.
Можно попробовать улучшить работу флюгерного авторулевого с помощью подключения к передаточному механизму новых «источников информации». Трудно сказать, оправдает ли результат усложнение системы, но, так или иначе, вот несколько идей.
Как уже говорилось, крен яхты сильно увеличивает приводящий момент, с которым вынужден будет бороться авторулевой. Ветер свежеет, яхта кренится и приводится, после чего авторулевой перекладывает румпель на ветер и возвращает ее на курс. На малых яхтах крен заметно меняется и при пересадке членов команды с места на место, что также вызывает нестабильность курса, иногда довольно раздражающую.
Мы упоминали яхту Wanderer III, у которой свободный тяжелый руль, возможно, участвовал в противодействии приведению, свешиваясь на подветренный борт.
Такого же эффекта можно достигнуть и без тяжелого руля, снабдив триммер или маятник противовесом, который переместит центр тяжести всей вращающейся системы (триммер+баллер+противовес) вперед, чтобы он оказался перед осью вращения (рис. 8-13).
Рис. 8-13. Противовес перед осью триммера при крене заставит его повернуться на ветер, а руль, соответственно, на уваливание.
Полностью балансирному рулю (триммеру, сервомаятнику) требует для своего поворота только преодоления трения в подшипниках, поэтому соединенный с ним флюгер всегда имеет почти нулевой угол атаки. Усиление ветра не вызовет реакции до тех пор, пока накренившаяся яхта не приведется и не изменит курс.
Если руль сбалансирован только отчасти, поддержание его в положении с некоторым отклонением от среднего требует приложения силы. Флюгер должен будет обеспечить эту силу, т.е. иметь некоторый угол атаки, когда яхта идет точно по курсу. В этом случае усиление ветра дополнительно повернет флюгер и руль (скорость яхты увеличится не пропорционально скорости ветра). что даст более сильную и даже опережающую реакцию на приведение. Каким будет этот эффект, рассчитать сложно, но, во всяком случае, он работает в правильном направлении.
Впервые примененный Табарли в 1964 г. авторулевой с двухосевым флюгером имел еще одно новшество: раскручиваемый ветром гироскоп. Идея была в том, чтобы с его помощью демпфировать колебания курса: гироскоп давал крутящий момент, пропорциональный скорости рыскания. Эту задачу проще решить вводом обратной связи от руля, но гироскоп можно было бы использовать и для другой цели: как гирокомпас.
Когда яхта на попутном ветре скатывается со склона волны, такой серфинг на небольшое время настолько увеличивает ее скорость, что вымпельный ветер резко ослабевает и флюгер перестает работать. Гироскоп мог бы помочь сохранить правильное направление движения, пока вымпельный ветер не восстановится. Не знаю, применял ли кто-либо такое решение и оправданно ли оно с учетом возможного времени серфинга, но это позволило бы расширить диапазон условий, в которых работают флюгерные авторулевые.
Когда мы говорили о выборе места для флюгера, было замечено, что высота установки флюгера усилит рыскание за счет размаха качки. Этот эффект можно обратить и на пользу, поставив два одноосевых флюгера на разной высоте и комбинируя их сигналы с помощью дифференциального механизма (рис. 8-14).
Рис. 8-14. Пример передачи, комбинирующей углы поворота двух флюгеров.
Для установки курса оба флюгера должны стоять по ветру, затем они фиксируются на своих осях отдельными сцеплениями. Пока нет качки, оба флюгера будут показывать одно и то же направление ветра и крутящий момент на выходе будет связан только с ошибкой курса. При качке появится разница в показаниях (за счет большего размаха верхнего флюгера). Дифференциал реверсирует направление поворота верхнего флюгера и складывает повороты таким образом:
выход = угол нижнего флюгера - 1/2 * угол верхнего флюгера.
Влияние качки должно уменьшится, и тут есть потенциал для коренного улучшения работы системы в плохую погоду, что было бы важно для гонок.
Основная проблема с работой авторулевых на быстроходных тримаранах и катамаранах – эффект ветрового отрыва многокорпусников (multihull breakaway). Многокорпусники не обладают такой естественной устойчивостью курса на бейдевинде, как однокорпусные яхты и в большей степени требуют работы авторулевого. Однако из за высоких скоростных качеств таких судов направление вымпельного ветра для них оказывается почти одинаковым в большом диапазоне курсов, и флюгер не чувствует отклонения от заданного курса.
Эффект проявляется, когда судно идет крутым бейдевиндом с относительно невысокой скоростью, уваливается и тут же разгоняется, в результате чего вымпельный ветер остается прежним (рис. 8-15). Скорость судна при этом возрастает больше, чем скорость вымпельного ветра.
Рис. 8-15. Катамаран увалился, скорость возросла, а угол вымпельного ветра остался прежним.
Решить эту проблему можно, включив в рулевую систему датчик скорости, который давал бы дополнительный крутящий момент, направленный на приведение. Например, простое решение грубой силой: катамаран тянет за собой небольшой тормоз, буксирный конец которого проведен к подветренной стороне румпеля и при увеличении тяги буксировки поворачивает ено на приведение (рис. 8-16).
Рис. 8-16. При ускорении катамарана буксирный конец поворачивает руль на приведение.
Более изящным решением будет добавление к сигналу флюгера сигнала скорости лодки или ветра. Поскольку скорость лодки растет заметнее, лучше использовать именно ее. Два решения из многих возможных показаны на рис. 8-17.
Подключенный к передаче сигнал силы ветра можно было бы использовать для расширения диапазона условий работы авторулевого на бакштагах в сильные ветра. Резкое усиление ветра будет происходить в случае приведения; подключенный к передаче на руль сигнал об этом поможет удержать лодку на курсе.
При подруливании с помощью тяги шкотов мы всегда использовали резинки. Было бы удивительно, если бы вы не подумали о том, почему упругие элементы не играют подобной роли во флюгерных системах. На самом деле их можно использовать для управления откликом яхты на изменение силы ветра, причем разными способами.
У проблемы чувствительности управления курсом к силе ветра есть несколько сторон. Во-первых, усиление ветра почти всегда требует положить румпель на ветер, чтобы увалить лодку. Каким бы мощным не был авторулевой, для этого лодка уже должна несколько изменить курс. Во-вторых, даже если можно было бы держать постоянный курс относительно вымпельного ветра, истинный курс не будет постоянным, так как скорость яхты возрастает меньше, чем скорость вымпельного ветра. В большинстве случаев цель состоит как раз в том, чтобы яхта выдерживала постоянный истинный курс, хотя есть и исключения. На порывах при полном бакштаге желательно уваливаться, убегая на фордевинде, а при крутом бейдевинде, наоборот, сбрасывать ветер.
Еще больше усложняет картину то, что на порывах истинный ветер заходит по довольно последовательной схеме, как объяснил Алан Уотс (Alan Watts, Wind and Sailibg Boats, Quadrangle Books, 1965).
Чтобы поведение авторулевого было удовлетворительным во всех этих обстоятельствах, желательно иметь настройку входного устройства, чувствительную к силе ветра. Сам по себе флюгер весьма чувствителен и к направлению, и к силе ветра (пока его угол атаки отличен от 0), так как его крутящий момент пропорционален скоростному напору. Все что требуется, чтобы флюгер реагировал на силу ветра – соединить его с несбалансированным рулем или другой нагрузкой, под действием которой некоторый угол атаки присутствовал бы и при движении точно по курсу. Самое простое и легко настраиваемое приспособление для этого – пружина (резинка). Соединить ее можно с любой деталью флюгера или передачи. Чтобы показать, насколько это просто, приведем рис 8-18 флюгера Mick the Miller c резинкой, обеспечивающей на курсе некоторый смещенный или начальный угол атаки. Когда ветер свежеет и давит на флюгер, этот угол уменьшается, и флюгер поворачивает руль на уваливание. Если на курсе бейдевинд вы хотите, чтобы на порывах яхта приводилась и поднималась на ветер, резинку можно протянуть к наветренному борту, создав начальный угол атаки с другой стороны флюгера.
Рис. 8-18. Оттягивающая румпель резинка уменьшает чувствительность к силе ветра, задавая флюгеру начальный угол атаки.
Как и трение и несбалансированные моменты на руле, резинка несколько уменьшит мощность системы, так как флюгер должен будет ее растягивать.
Мы много говорили о рулях, флюгерах и передачах между ними по отдельности — теперь им пора поработать вместе. Применим все полученные знания, вернувшись к началу: есть яхта, которую надо оснастить успешно работающим флюгерным авторулевыми. Наиболее логичный путь решения задачи состоит из пяти шагов.
Важнейшую для автоматизации управления характеристику — сопротивление рысканию — невозможно оценить, глядя на яхту. Невозможно ни рассчитать ее на основе данных о конструкции и обмере яхты, ни испытывая модель. По крайней мере, в настоящее время. Качественно вы можете оценить сопротивление рысканию, попробовав яхту на ходу, если знаете, на какие особенности поведения обращать внимание. Чтобы получить количественные данные, придется провести серию ходовых испытаний. Если будет возможность — повторить испытания при разной силе ветра, в разных условиях. Чем дольше вы будете испытывать яхту, тем полезнее будут полученные данные.
Другие наблюдения имеют качественный характер. Выбор объема руля авторулевого основывается на том, легко ли яхта слушается своего основного руля. Оцените степень балансировки руля.
Выбор для авторулевого того или иного руля зависит прежде всего от сопротивления рысканию (см. ссылку выше и далее). Для управления авторулевым может потребоваться добавить передаточное демпфирование. По этому показателю разные типы рулей располагаются в таком порядке:
Обоснование требуемых размеров рулей всех видов на основе их объемов и собственных объемов приведено в главе 5.
После выбора типа руля нужна конструктивная проработка его установки на яхту. Руль должен иметь достаточно велик, хорошую поддержку, ничто не должно мешать его работе и сам он не должен создавать помех. Еще раз посоветую не делать все сразу «набело», а начать с полноразмерного работающего макета, используя простые стальные болты и подшипники, фанеру и проволоку.
Задача второй серии испытаний — оценить эффективность и баланс руля, а также трение при его работе. Лучший способ почувствовать это — управлять яхтой не как обычно, а с помощью руля для автопилота. Основной руль при этом надо закрепить.
Если вы сделали триммер или маятник, управляйте их румпелем (для триммера придется устроить реверсирующую передачу, чтобы работать румпелем в привычном направлении, в противном случае вы запутаетесь). При недостаточной эффективности руля уже в умеренный ветер управлять яхтой не получится. В случае большого трения или совершенно небалансирного руля вы будете чувствовать его сопротивление, для поворота руля придется применять силу — но небольшой флюгер этого сделать не сможет. Если руль, напротив, перебалансирован, вы почувствуете нестабильность; румпель будет стремиться вырваться из рук. В таком случае придется уменьшить площадь руля перед осью вращения.
Велики шансы, что какие-то непредвиденные проблемы обнаружатся, и вы порадуетесь, что использовали дешевые одноразовые материалы.
Еще одна вещь, которую следует проверить при применении вспомогательного руля — как изменится сопротивление рысканию, если этот руль закрепить в среднем положении. Проведите новую серию испытаний. Демпфирование колебаний курса должно быть уверенным; в противном случае стабильного движения с авторулевым не получится. Если колебания затухают плохо, увеличьте площадь руля или сместите его дальше назад.
Когда вы убедитесь, что руль работает плавно и легко, яхта демпфирует отклонения от курса и хорошо управляется в тех условиях, при которых будет работать авторулевой — можете быть уверены в успехе. Всю эту работу можно сделать с небольшими расходами, и потом вам не придется объяснять каждому любопытному, почему это ваш новый авторулевой не хочет работать.
Логика выбора передаточного отношения для каждого сочетания флюгера с рулем изложена в предыдущей главе. Размеру флюгера мы еще посвятим несколько страниц, но по этой части открыт простор для экспериментов. Мой совет: сделайте передаточное отношение настраиваемым, соорудив что-то вроде машины Руби Голдберга, и испытайте несколько флюгеров, чтобы выбрать меньший из них, который еще будет хорошо работать. Посвятите испытаниям в разных условиях несколько дней плавания, проверьте разные G, чтобы упростить будущую итоговую конструкцию.
Да, очень похоже на флюгерные авторулевые! ;-)
|
Получив работающий натурный макет, сделайте на его основе авторулевой, годный для пересечения океанов и не доставляющий хлопот. Продублируйте детали из качественных материалов. Теперь пришло время потратиться на детали из самой устойчивой к коррозии бронзы Everdur и нержавеющей стали, потратить часов сорок на формовку стеклопластикового руля и т.д. Не жалко: ведь вы делаете оптимальный и проверенный в деле авторулевой для своей яхты.
На следующих фотографиях показан полностью собранный авторулевой нашей Алеутки и его детали.
Одноосевой флюгер и сцепление.
Передача обратной связи.
Управляемая авторулевым Aleutka идет бейдевиндом в свежий ветер.
Фото Patricia Letcher.
В гл. 5 были рассмотрены требования к минимальному размеру для каждого из типов рулей: соотношение объемов основного и вспомогательного руля, объем триммера или лопасти маятника по отношению к собственному объему основного руля. В гл. 8 мы рассмотрели передаточные отношения для различных флюгеров и рулей. В гл. 6 эффективность управления оценена на основе объема флюгера, но требования к этому объему еще не обсуждались.
Что флюгер оказался мал, определить легко. Если руль достаточно эффективен и трение невелико (об этом можно судить, поворачивая флюгер рукой), но при уходе яхты с курса флюгер не реагирует — он слишком мал, чтобы справиться со своей работой. Скорее всего, это проявится на фордевинде, когда скоростной напор вымпельного ветра мал, и в сильные ветра, когда яхта неустойчива на курсе.
Исправить ситуацию можно тремя способами:
Если флюгер больше необходимого, само по себе это не влечет никаких неприятностей. Так или иначе, если флюгер достаточен для фордевинда, на других курсах его площадь избыточна. Это ничему не вредит, но все же чрезмерный запас площади ни к чему: больше сопротивление, больше расход материалов, сложнее крепить конструкцию, она более подвержена поломке. Разумно оценить, каким должен быть минимальный размер.
Так как решающее значение для этого имеют трение и баланс руля, которые нельзя сколько-нибудь достоверно оценить заранее, единственно здравым будет опытный путь. Начните с большого флюгера и обрезайте его до тех пор, пока не заметите, что в сильный ветер управление стало менее уверенным.
При малом трении для всех типов флюгеров и рулей начать можно с флюгера, объем которого удовлетворяет соотношению
объем флюгера = 100 * G * собственный объем руля.
Например, на Bess был триммер, объем которого равен собственному объему руля. Триммер площадью (0,22 фт2 или 0,020 м2 сдвинут на 3/4" (19 мм) назад от положения точного баланса. Собственный объем составлял
0,22 фт2 * 0,063 фт = 0,014 фт3 (0,0004 м3).
При G = 1 и маленьком флюгере объемом 0,8 фт3 отношение
объем флюгера / G / собств. объем руля = 0,8 / 0,014 = 57,
и флюгер плохо управлял яхтой в умеренный ветер. Добиться восстановления хорошей работы я смог тремя путями:
Затем я поставил большой флюгер 2,5 фт3, уменьшил G до 1/4 и довел отношение до 2500:
2,5 / 0,004 / 0,25 =2500
но никакого увеличения эффективности работы по сравнению с отношением около 100 не произошло.
Еще один пример. Я сделал экспериментальный флюгер с горизонтальной осью для Алеутки с ее частично балансирным основным рулем 4 фт2 (0,37 м2). Центр давления находится примерно в 4" (10 см) от оси, так что собственный объем составляет 1,33 фт3 (0,037 м3). Площадь флюгера была 3 фт2 (0,28 м2) с плечом CP 1,8 фт (55 см), объем флюгера 5,4 фт3 (0,15 м3), передаточное отношение 1/10
объем флюгера / G / собств. объем руля = 5,4 / 1,33 / 0,1 = 41
Мощности флюгера не хватало для управления даже в 3 балла. Изменив G на 1/20, я получил отношение 82, и теперь лодка нормально управлялась в умеренные ветра.
В мои студенческие времена в Калифорнийском технологическом было в ходу пренебрежительное выражение cookbook engineering, «поваренная инженерия». Оно означало решение технических задач следующим путем: найти правильную книгу, где есть все инструкции, и слепо следовать им пункт за пунктом, не пытаясь понять лежащую в основе всего этого теорию. Как поваренная книга учит нас, например, печь пирог: сообщает точный состав и пропорции ингредиентов, способ и последовательность их смешения, размер сковородки и температуру духовки — все, что надо! Следуйте инструкции, и в 9 случаях их 10 вы получите чудесный пирог, не забивая голову познаниями о реакциях бикарбоната натрия и тонком балансе выхода пара и коагуляции протеинов.
Конечно, у нас в КалТехе были основания презрительно ухмыляться: прежде всего, следуя готовым рецептам, вы никогда не сделаете ничего нового. Хуже того, если результат будет неудачным (пирог вышел похожим на подметку) у вас не будет никаких идей насчет того, что же пошло не так и как этого избежать. Вы не обратили внимания на исходные допущения, лежащие в основе процесса? Недопоняли инструкцию? Придется все-таки браться за теорию.
Но должен сказать, что, когда я пошел работать, мое уважение к «поваренной инженерии» неизмеримо выросло. Очень часто просто нет времени на теоретическую проработку: ответ нужен завтра не позже 19 часов, даже если есть некоторый риск, что он будет неверным.
Вернемся к нашим... флюгерам. Как было сказано в самом начале, достичь хорошей работы флюгерного авторулевого не так легко, как кажется. Даже простейший авторулевой в сочетании со столь динамичной системой, как идущая под парусами яхта, требует для понимания его работы многих тонкостей. Достаточны ли были мои объяснения для яхтсмена-практика, задумавшего оборудовать свою яхту таким устройством?
Наибольшую поддержку я получал от знакомых яхтсменов, которые смогли заставить работать свои агрегаты без всяких уравнений и аэродинамической теории. Многие добивались успеха, угадывая пропорции, экспериментируя, понимая работу авторулевого на качественном уровне. Могу я помочь в этом процессе тем, кто не заботится о точных соотношениях или, например, зависимости подъемной силы от удлинения? Для этого остается путь готовых рецептов.
Рассмотрим пять примеров различных флюгерных систем. Их пропорции и прочее основаны на опыте постройки успешно работающих авторулевых, экспериментах и теории, изложенной в последних четырех главах. Они будут удовлетворительно работать, как я думаю, по меньшей мере на четырех из пяти яхт обычных типов. Если вы будете следовать рекомендациям (и ваша яхта входит в счастливую четверку), вам ни к чему изучать объяснения в главах 5-8.
Выбор между типами авторулевых зависит главным образом от совместимости с имеющимся рулевым управлением и формой кормы яхты; исключения будут отмечены. Никаких фундаментальных преимуществ одного варианта по сравнению с другим нет.
Сделайте длину крыла флюгера в 3 раза больше ширины, а площадь — равной площади руля яхты. Для оси используйте два шарикоподшипника, противовес должен точно компенсировать вес флюгера. Подшипники закрепите на основании, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси — это нужно для установки курса. Требуется вращение как минимум на 180°, лучше на 320°, еще лучше на 360°. Работа авторулевого объясняется здесь.
Рис. 9-1. Вариант 1: двухосевой флюгер / бегучие снасти / основной руль.
Прочный флюгер такого типа производства Ratcliffe Marine Design.
Флюгер с горизонтальной осью и веревочной передачей на «Алеутке»,
управляющий частично балансирным основным рулем.
Провести концы на румпель надо через минимальное число блоков, желательно снабженных подшипниками для снижения трения. Диаметр барабана составляет 1/10 расстояния между баллером руля и точкой крепления концов к румпелю (в общем случае, поворот барабана на 90° должен вызывать поворот руля примерно на 5°.Постарайтесь ослабить трение при повороте руля, насколько это возможно.
Вспомогательный руль может быть примерно в три раза меньше основного. Если он более или менее хорошо сбалансирован, ось вращения флюгера должна быть наклонена вперед на ~ 10° от горизонтали. Крыло флюгера делайте длиной в 2-3 раза больше ширины. По желанию его можно повесить на скег.
Конструкция флюгера и требования к нему аналогичны варианту 1, за исключением площади, которая должна быть такой же, как у вспомогательного руля. Для связи флюгера и руля можно использовать любой тип передачи с низким трением, обеспечивающий достаточную прочность. Отношение угла поворота флюгера к углу поворота руля должно быть 1/3, т.е. при повороте флюгера на 30° руль должен поворачиваться на 10°.
Рис. 9-2. Вариант 2: двухосевой флюгер / вспомогательный руль
(передача показана схематично, при такой конструкции нельзя было бы устанавливать курс).
Рис. 9-3. Эскизы вариантов навески балансирного руля.
Аналогичен одному из первых авторулевых на яхте Mick the Miller (рис. 4-1).
Сделайте вспомогательный руль примерно в три раза меньше основного. Он должен быть хорошо сбалансирован, а этого трудно добиться заранее, при конструировании. Воспользуйтесь одним из эскизов, показанных на рис. 9-3. Такие рули показали хороший баланс в модельных экспериментах, но будьте готовы подправить форму пера руля, если для поворота вспомогательного руля в любых условиях потребуется усилие большее, чем легкое давление пальцем. Как обычно, нужны хорошие подшипники. Если баланс руля хороший и трение на его оси мало, флюгер может быть маленьким. Нужны опыты. Начните с площади флюгера, равной площади вспомогательного руля, с пропорциями как на рис. 9-4. Такой флюгер стоял на Mick the Miller с пластиковыми подшипниками скольжения, так что думаю, с шарикоподшипниками он может быть меньше. Критерий достаточности площади флюгера — его работа на фордевинде в слабый ветер.
Рис. 9-4. Форма одноосевого флюгера.
Установив вспомогательный руль в среднее положение и отключив сцепление флюгера (он свободно вращается по ветру), ложитесь на нужный курс. Затем включите сцепление, а основной руль закрепите. Он должен при этом обеспечивать основное противодействие приведению, оставляя на долю вспомогательного руля лишь небольшую коррекцию. Закрепленный руль также увеличит сопротивление рысканию. Подстройку курса можно делать сцеплением флюгера или меняя положение основного руля.
Непосредственно соединенные флюгер и триммер — самая простая и дешевая система, которая тем не менее удовлетворительно послужила во многих дальних плаваниях. Однако тут есть опасность, которую надо осознать перед тем, как приступать к работе. Этому варианту свойственна неустранимая тенденция к переруливанию и колебаниям курса, так что он будет работать только на яхтах с очень высоким сопротивлением рысканию. Как определить эту характеристику, см. здесь.
Если будет использован вспомогательный руль, делайте его площадь в половину основного руля и в следующих трех абзацах имейте в виду свой вспомогательный руль вместо основного.
Триммер можно навесить прямо на заднюю кромку руля, при этом его площадь должна быть 1/6 площади руля. Если триммер вынесен дальше назад, площадь может быть меньше. Например, если расстояние от триммера до оси руля составит 1,5 хорды, подойдет триммер площадью 0,1 от площади руля. Балансирный триммер (часть площади которого вынесена вперед перед осью поворота) предпочтительнее, но не до полного баланса — при этом яхта будет сильно реагировать на изменение силы ветра (см. здесь).
Простота этого варианта изумительна: флюгер и триммер сидят на одном валу, который опирается на два подшипника. Вал должен быть прочным, так как испытывает нагрузку и от триммера, и от флюгера. Скажем, на яхтах до 30 фт длиной это может быть дюймовая труба, а для крупных яхт еще более толстая. Я видел несколько таких устройств с металлическими подшипниками скольжения, но, видимо, с шарикоподшипниками (хотя бы только наверху) эффективность в слабые ветра была бы лучше.
Остаются флюгер и сцепление. Флюгер сделайте по рис. 9-4. Его площадь зависит от баланса триммера и от того, насколько удастся убрать трение. Начните с флюгера в 10 раз больше триммера, он должен заработать даже с небалансирным триммером. Если вы уверены, что триммер близок к балансу, можно начать с 4-кратной площади триммера и, возможно, удастся обрезать флюгер еще больше.
Здесь все просто. Отключите сцепление флюгера и ложитесь на нужный курс. Включите сцепление. Если используется вспомогательный руль, закрепите основной так, чтобы он обеспечивал основное противодействие приведению.
Рис. 9-5. Передача от флюгера к триммеру с уменьшением угла поворота.
Применение обратной связи для устранения переруливания в такой конфигурации объясняется здесь. Важное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что флюгер крепится не на общем валу с триммером, а отдельно, на корпусе яхты или ахтерштаге. Необходимо решить, как вращение флюгера будет передаваться триммеру.
Для управления можно использовать как триммер, так и руль, основной или вспомогательный. Пропорции их размеров такие же, как для варианта 4; для уменьшения площади флюгера так же важен баланс руля. Вал триммера установите позади руля еа расстоянии 6" (15 см) от оси поворота. Головка вала с румпелем должна быть чуть выше, чем у основного руля (рис.9-6).
Рис. 9-6. Положение триммера и руля.
Рис. 9-7. Румпель с отверстиями для поперечных соединительных звеньев.
Установите на вал триммера 6-дюймовый румпель с отверстиями, показанный на рис. 9-7. Это стандартная деталь, которую, как и соединительные перемычки (см. ниже), можно купить в морских магазинах. С помощью шпенька, вставляемого в одно из отвнрстий и головку баллера руля, можно фиксировать триммер, когда авторулевой не используется.
Ось флюгера должна находиться сбоку в 1 футе (30 см) или более от оси яхты и быть наклонена по отношению к валу триммера. Вертикальное положение не требуется, выгоден наклон вперед (см. здесь, вертикальная ось показана для упрощения рисунка). Верхний и нижний подшипники оси флюгера лучше всего закрепить на сварной рамке из трубок на небольшом выстреле, совершенно независимо от руля (рис. 9-8)
Рис. 9-8. Авторулевой по варианту 5: одноосевой флюгер, обратная связь, триммер. Крепление флюгера независимо от руля.
В нижней части вала флюгера, напротив румпеля триммера, крепится еще один рычаг с несколькими отверстиями. Он может быть частью механизма сцепления или отдельной деталью, как на рисунке. Связь флюгера и руля осуществляет перемычка, концы которой вставляются в отверстия рычагов. Чтобы работе не помешали неточности монтажа, лучше использовать регулируемую перемычку с шаровыми шарнирами (рис. 9-9а). Если все три оси (руля, триммера и флюгера) совершенно параллельны, можно использовать и простую перемычку, которая будет работать не хуже (рис. 9-9b). Наличие ряда отверстий позволяет выбирать передаточное отношение.
Рис. 9-9. Перемычки (соединительные звенья) с шаровыми шарнирами и простая П-образная.
Все делается как в варианте 4, но здесь мы можем менять передаточное отношение (рис. 9-10). От положения перемычки на рычаге флюгера зависит его действие на триммер (смещение и сила), от положения на румпеле триммера —демпфирование колебаний курса. Оптимальное положение ищите экспериментально.
Рис. 9-10. Установка перемычки определяет силу воздействия и обратную связь (объяснение см. здесь).
Авторулевой с одноосевым флюгером и триммером с обратной связью производства Roland Saye.
Яхта Hal и Margaret Roth Whisper (Spenser-35) c новым авторулевым Riebandr (вспомог. руль, триммер, одноосевой флюгер с клинообразным профилем). До этого была оснащена сервомаятником Хаслера,
с которым совершила плавание из Сан-Франциско через острова в Японию и обратно.
Авторулевой Polaris имеет флюгер с горизонтальной осью, обратную связь и триммер на вспомогательном руле
— весьма мощное сочетание. Фото James F.Ogg & Associates.
Четвертый способ автоматического управления яхтой — применение электроники — тема, значительно отличающаяся от всего остального содержания этой книги. Мы покидаем знакомый мир парусов, шкотов, блоков и прочей механики, в котором конечно есть головоломки, но каждый может их решить... и оказываемся в почти магическом мире цепей непостижимых компонентов и электрических импульсов, которые каким-то хитроумным способом могут решить почти любую задачу. Электроника быстро находит все новые применения в морском деле, а авторулевые предшествовали почти всем электронным приборам, нашедшим применение на яхтах.
Правда, в сфере авторулевых для небольших яхт дела обстоят далеко не столь хорошо. Хотя теперь авторулевые (в сочетании с другими устройствами) могут управлять яхтой и по вымпельному ветру, и вести ее не просто по компасному курсу, а к точке с заданными координатами, авторулевые далеко не так хороши, как могли бы быть. Да, они оказывают огромную помощь в плавании, но полностью полагаться на их работу нельзя.
Необходимость в предварительном изучении характеристик яхты и различных настройках никуда не исчезла с приходом электроники. Вместо кропотливых опытов с рычагами, валами, тросами, осями, балансом руля и противовесом флюгера теперь было бы достаточно изменить несколько строк кода... да что там, выбрать с помощью приложения на смартфоне тот или иной закон регулирования и уточнить несколько параметров — увы, такой возможности, которая отчасти заменила бы любезные сердцу самодельщика дни в мастерской, нам пока не дали.
Пытаться сделать обзор хотя бы румпельных авторулевых для малых яхт или делиться своим опытом эксплуатации — затея за рамками перевода книги. Могу порекомендовать два дополнительных источника:
Рассуждая о возможности самостоятельного движения яхты, мы всегда приходим к вопросу о том, насколько разумно и эффективно позволять ей идти таким образом. Что касается эффективности, мы упоминали некоторые потери, связанные с воздушным сопротивлением навесного оборудования и дрейфом. Еще один аспект эффективности связан с тем фактом, что идущая под управлением флюгерного авторулевого яхта почти все время идет с некоторым отклонением от курса. Ниже мы посмотрим, как это скажется на времени перехода.
Говоря о безопасности, прежде всего подчеркнем, что автоматическое управление как таковое означает отсутствие рулевого за румпелем, а не отсутствие вахтенного! Напротив, при работающем авторулевом вахтенный может выполнять свою работу лучше: наблюдать за обстановкой вокруг, настраивать паруса и т.д. В отличие от крупных судов, на яхте всем этим обычно занимается один человек.
Но вот на практике... В большинстве случаев авторулевой устанавливают и используют одиночники и экипажи из 2-3 человек, ожидая, что большую часть времени он и будет вести яхту сам, без присмотра. Да, тут возникает огромная дыра в хорошей морской практике и традициях. Во всяком случае, каждый раз должна тщательно оцениваться степень риска и должны приниматься меры для ее уменьшения.
Оптимальный маршрут океанского перехода парусного судна редко проходит по дуге большого круга (кратчайшему расстоянию между местами отплытия и назначения). Картина ветров и течений часто требовала пройти в 2-3 раза большее расстояние. Современные яхты, хорошо идущие в бейдевинд, меньше зависят от попутных ветров, но часто плавание по традиционным путям парусников гораздо более приятно, хоть и не так быстро.
Кроме такого приятного случая, когда на всем оставшемся пути ожидается попутный ветер, перед навигатором всегда стоит вопрос: каким путем к цели лучше пойти отсюда? Принять решение помогает анализ лоцманских карт с типичными картинами ветров и течений по архивным данным, прогнозы, текущая обстановка. Надо избежать штилей, штормов, других опасностей. Надо учесть особенности яхты.
Иногда, если цель уже видна и ветер стабилен, курс можно задать весьма точно; иногда решить, каким курсом идти, может быть очень трудно, так как ожидаются переменные ветра. Но так или иначе, решение должно быть принято. Это и есть работа моряка: стремиться пройти задуманный путь. Если ветер встречный, он выбирает галс, ведущий ближе к цели, а потом настраивает паруса, чтобы яхта шла быстрее.
Автоматическое управление часто означает плавание с некоторым отклонением от желательного курса. Направление ветра, используемое как опорное, никогда не бывает строго постоянным, и яхта следует за заходами ветра. Большинство флюгерных авторулевых в той или иной степени чувствительны к силе ветра, и курс яхты будет зависеть и от этой переменной. Настройка курса с помощь. шестерен или диска с отверстиями имеет ограниченное число положений, и вы выбираете из них то, которое ближе к нужному курсу. Иногда настроить управление шкотами на нужном курсе оказывается невозможно, или для этого требуется менять паруса — предпочтительнее будет какое-то время идти, отклоняясь от курса. Иногда мешает переруливание или действие волн, и курс заметно колеблется.
Чтобы принять решение, полезно знать, какой лишний путь придется пройти из-за отклонения от курса. В большинстве случаев это легко прикинуть в уме. При разумных отклонениях (до 3 румбов) дополнительный путь пропорционален квадрату угла отклонения (рис. 11-1).
Рис. 11-1. Удлинение пути при отклонении от курса.
Все что надо запомнить: при отклонении на 1 румб (11,25°) путь удлинится на 2%. Значит, если вы отклонитесь на 2 румба, путь увеличится на 22 * 2% = 8% и т.д.
Для градусов мнемоника будет такой: 10° — 1,5%. В табличке ниже приведены более точные результаты:
| Отклонение, румбов | Путь длиннее на... |
|---|---|
| 0,5 | 0,5% |
| 1 | 2,1% |
| 1,5 | 4,7% |
| 2 | 8,4% |
| 2,5 | 13,1% |
| 3 | 20,5% |
| Отклонение, градусов | Путь длиннее на... |
| 5° | 0,4% |
| 10° | 1,6% |
| 15° | 3,7% |
| 20° | 6,6% |
| 25° | 10,5% |
| 30° | 15,6% |
Такое же простое правило можно вывести и для колебаний вокруг нужного курса. Предположим, яхта движется по синусоиде с максимальным углом отклонения Е (рис. 11-2).
Рис. 11-2. При колебаниях курса удлинение пути вдвое меньше, чем при постоянном отклонении.
В каждом периоде такое отклонение достигается лишь в двух точках, все остальное время оно меньше. Удлинение пройденного пути оказывается при этом вдвое меньше, чем при постоянном Е, т.е. 1% на первый румб. Если присутствует и постоянное отклонение, и колебания, удлинение пути будет суммарным (рис. 11-3).
Рис. 11-3. При колебаниях вместе с постоянным отклонением удлинение пути будет суммарным.
Предположим, намечен курс 250°. Показания компаса на ходу меняются от 225 до 255°, средний курс 240°. Отклонение составило 10° увеличение пути — 1,6%. Размах рыскания 30° Е = 15°, увеличение пути 1/2 * 3,7% =1,9%. Всего путь вырастет на 3,7%.
Честно говоря, малые отклонения и соответствующее увеличение длины пути пренебрежимо малы, если только речь не идет о гонках. Но если они окажутся больше и достигнут, скажем, двух румбов и двух часов в сутки по времени (8,4%), для яхтсмена это будет уже не очень приятно даже в спокойном крейсерском плавании.
Ясно, что в одиночном плавании невозможно нести непрерывную вахту дольше, чем примерно 36 часов. Вдвоем уже возможно нести непрерывную вахту, но это чертовски некомфортно. Даже когда на борту четверо или пятеро, ночные вахты вскоре начинают казаться бессмысленной муштрой: ночь проходит за ночью, и... ничего не случается. Почему бы не взять пример с одиночек и не поспать всем спокойно? Множество одиночных плаваний были совершены таким образом, да и на многих яхтах с полными экипажами решали, что достаточно безопасно хотя бы в некоторые из ночей ложиться спать и идти вслепую. Какой риск при этом приемлем и как его уменьшить?
Какой риск для вас приемлем, решить можете только вы. Даже если вы все время оцениваете опасность и считаете ее пренебрежимо малой, одно это занятие может лишить сна. Во время своих одиночных плаваний я хранил твердую веру в вахтенных смотрящих вперед на других судах. За 7000 миль я не видел ни одного судна вне известных морских путей, и спокойно спал со всеми удобствами почти каждую ночь, только иногда поднимаясь на несколько часов при пересечении судовых путей. Иногда днем наверное по половине дня не осматривал горизонт. Полученный в самом конце плавания на Island Girl ужасный опыт — столкновение с пароходом и потеря мачты — заставил больше верить в радарный отражатель и уклонение от путей, которыми идут суда.
Потом мы прошли еще 7000 миль, отдыхая почти каждую ночь... и произошла еще одна неприятная встреча, на этот раз с рыбацким судном, окончательно разрушившая наше благодушие. Хотя с тех пор мы иногда и спали по ночам, но обычно по очереди, кто-то оставался на вахте. Ради предостережения в части отношения к другим судам расскажу об этих случаях.
В 1964 г. я отправился на Island Girl с Гавайев на север, на Аляску, и в начале сентября был в Ситке. Там я оставил лодку на зиму, а в начале следующего лета вернулся и провел два незабываемых месяца в фиордах и на островах, путешествуя и лазая по горам. В середине августа я отправился из Ситки обратно в Лос-Анжелес, опять в одиночку.
Плавание шло быстро и хорошо; меня огорчало лишь то, что я иду в неправильную сторону — из отдаленной, дикой и волнующей страны в гораздо менее привлекательное место. Преобладали свежие попутные ветра; малые черные двойные паруса почти каждывй день несли нас на сотню миль и больше. Неприятным опытом стал только северный шторм у северной Калифорнии. В сумерках двадцатого дня мы подошли к берегу по огням вблизи мыса Консепсьон. Этот мыс разделяет холодное и туманное тихоокеанское побережье и южную Калифорнию с ее мягким и теплым климатом. Мы были уже почти дома.
Ночью были видны огни судов, одно-два каждый час проходили в сторону берега. Мы шли под двойными парусами, но в полночь ветер почти совсем скис и наша скорость, а вместе с ней и маневренность, стали совсем плохи. Давно было видно какое-то идущее на север судно; оно должно было пройти немного мористее, пожалуй, совсем близко. Я считал, что они видят мои огни, и был несколько раздражен тем, что они идут так близко. Огни судна приблизились, я услышал глухой шум турбин, лодку качнула носовая волна. Я включил мощный фонарь и посветил в сторону судна, просто чтобы показать свое неудовольствие. Представьте себе мой ужас, когда они развернулись и пошли прямо на меня! Красный, зеленый и гора белых огней двигались на меня с ужасным шумом, вырастая с каждой секундой, и не было ни малейшего шанса убраться в сторону.
Из темноты нарисовался нос, я нырнул в рубку, и тут же произошел страшный толчок и раздался раздирающий уши грохот. Несколько секунд ужасной тряски вдоль борта, и мы остались валяться в шипящем пенном следе за кормой, глядя на быстро удаляющиеся гакабортные огни. Никто на судне и не узнал, что мы тоже тут были .
Оказалось, судно нас не задело — удара корпусом не было, они немножко промахнулись. Island Girl была отброшена носовой волной, но качнувшаяся к судну мачта ударилась и разломилась на три части. Штаг и ахтерштаг были порваны, бушприт сломан, оковка штага и полосы были выдраны вверх из палубы почти до вант-путенсов... а я был счастлив, что жив.
Потом Island Girl отбуксировали в Санта-Барбару, и там я чинил и оснащал ее заново.
В конце лета 1969 мы с Пати шли на «Алеутке» на юг, направляясь из Ситки в Калифорнию и часто останавливаясь на аляскинских и канадских островах по краю шхер. После о. Ванкувер был десятидневный штормовой переход, который привел нас уже к Сан-Франциско. Стоял сильный туман, к берегу мы подходили по радиопеленгу и около полуночи вышли к маяку примерно в 10 милях с внешней стороны моста Золотые Ворота. Мы долго не спали и устали. Решили уйти на три мили к северу, подальше от всех фарватеров, и там подрейфовать, дожидаясь утра и попутного прилива.
Поспали мы часов пят.ь, и Пати проснулась, услышав приближающийся шум двигателя. Выглянув из каюты, она увидела, что наступает день, туман поднялся, а нас вот-вот развалит пополам рыбацкое судно. Ее отчаянный вопль выбросил меня из койки, спального мешка и прочего. Увидев рыбака в иллюминаторе, я заорал вместе с ней. Пати кинулась отвязывать руль и схватилась за гика-шкот, но прежде, чем она смогла что-то сделать, рыбак долбанул нас в подветренный борт у кормы.
«Алеутка» легко повернулась, повреждения оказались поверхностными — спасибо стеклопластику и прочной конструкции. Если бы он ударил посередине, не думаю, что мы остались бы живы. Мы подняли шум — гудели горном и кричали, пока судно, так и шедшее не меняя курса, не удалилось на милю. Очевидно, рыбак шел на автопилоте; мы так и не увидели никого на борту. Должно быть, они ничего и не узнали.
Да, это проклятие автоматического управления. До сих пор кровь не то стынет, не то закипает в жилах, когда думаю о том, как нас едва не убили из-за нескольких часов сна. Еще одна сторона движения вслепую — у вас нет морального права (не говоря уже о соблюдении правил и законов) подвергать опасности других людей. Если ваша лодка слишком мала, чтобы представлять угрозу для других, вы рискуете только собой...
Мы пошли на глупый риск, ради отдыха отказавшись от несения вахты близко к оживленной гавани, и получили урок.
Вероятно, единственная серьезная опасность при плавании вдали от берегов, непосредственно являющаяся следствием отказа от ночных вахт — угроза столкновения с другим судном. Конечно, внезапное изменение погоды или инцидент с оборудованием яхты вахтенный на палубе обнаружит быстрее, но большинство яхтсменов говорят, что спят на яхте очень чутко и немедленно просыпаются, как только что-то меняется в движении яхты и звуках вокруг.
Столкновения с крупными плавающими предметами (смытым с судов грузом и т.п.), а также китами также представляют серьезную опасность, но ночная вахта не cможет ее предотвратить.
С другой стороны, есть самая неотразимая опасность: человеческий фактор. Под влиянием стресса и усталости можно сделать навигационную ошибку или принять неверное решение. Несомненно, нормальный ночной сон уменьшает этот риск.
Встречающиеся в море суда можно разделить на три категории по их обычному поведению и несению вахты.
Не особенно заботятся о несении вахты, кроме наблюдения за радаром. Обычно имеют яркие огни, но главная характерная черта — их движение хорошо предсказуемо. Маршруты их движения в прибрежных водах известны и нанесены на карты; в океанах они обычно идут по кратчайшему пути. Из каждых примерно трех десятков торговых судов, встречавшихся нам вне видимости берегов, все кроме трех шли точно по маршрутам, показанным на лоцманских картах. Два судна из этой тройки по-видимому шли по дуге большого круга из Сан-Франциско во Вьетнам, нацеливаясь на Тонкинский залив.
Таким образом, первое правило состоит в том, чтобы держаться подальше от судовых маршрутов, пересекая их в случае необходимости под прямым углом. Если вы следуете этому правилу, торговое судоходство не будет мешать вам подремать. Можно оценить риски встречи с судами на определенном маршруте, подсчитав, сколько судов пересекут намеченный вами путь за время перехода. Статистические данные собирает US Bureau of the Census publication FT 975 "Vessel Entrances and Clearances", они имеются и в Lloyd's Register of Shipping, Statistical Tables.
Передатчиками системы АИС, данные которой отображает сайт, в настоящее время оснащены все пассажирские, торговые и промысловые суда и значительное число маломерных. Выход в море без АИС приемника, позволяющего с помощью УКВ связи видеть движение окружающих судов и предупреждать об опасных сближениях, сегодня просто недопустим даже для малой яхты.
Тем не менее, несмотря на радиосвязь, радары, АИС и прочие системы, каждый год на море происходят столкновения и гибнут люди, причем это случается отнюдь не только ночью с несчастными яхтсменами-одиночниками — средь бела дня сталкиваются оснащенные профессиональной судоводительской электроникой крупные суда. Человеческий фактор.
Как тут не вспомнить фразу, которую бравый солдат Швейк услышал в полицейском участке:
— Не будь болваном и не давай себя убивать!
:
Далее в книге приведен пример расчета вероятностни опасного сближения в ночное время с судном на переходе с Гавайев на Аляску на основе статистики судоходства, который мы опускаем.
Менее предсказуемы по сравнению с торговыми, но на них есть вахтенные, которые наблюдают за обстановкой и по радару, и визуально. Я чувствую себя в большей безопасности, предполагая, что меня видят на радаре, поэтому поднимаю радарный отражатель среднего размера.
Об этой группе приходится беспокоиться больше всего. Число таких судов велико, их местонахождение непредсказуемо, многие имеют слабые огни или идут вовсе без огней, на многих нет вахты. Рыбаки обычно концентрируются в определенных районах океана, но непрерывно ходят между такими районами, малыми и крупными портами по всему миру. Во многих прибрежных водах довольно интенсивное движение рыбацких и рабочих судов, что делает любой перерыв в несении вахты весьма опасным. Около основных портов интенсивность движения судов еще больше.
Единственный известный мне реальный путь обеспечения безопасности — внимательно осматривать горизонт каждые 15 минут, и более часто, если видимость ограничена. Эта оценка исходит из того, что судно при скорости сближения 16 узлов будет замечено не ближе чем в 4 милях. В ночное время это требует прерывистого режима сна, который все-таки несколько менее суров. Психологические исследования показали, что сон имеет циклический ритм с периодом около часа, за который меняются стадии глубокого и поверхностного сна. Многие мореплаватели отмечали, что просыпались ночью каждый час, при этом достаточно отдыхая за 8 часов такого сна. Я думаю, можно приспособиться к тому, что поверхностная стадия без нарушения ритма слегка приподнимется над поверхностью, и в это время вы сможете осмотреться.
Во время плаваний вдвоем с женой мы хотели быть уверенными, что сможем осмотреться хотя бы раз в час, и пользовались будильником. Каждый раз тот, кто просыпался и осматривался, переставлял будильник на час вперед. В результате обычно вся ночь проходила без звонка будильника, причем мы не просыпались одновременно: в среднем кто-то просыпался раз в полчаса. Конечно, это безопаснее, чем плыть вслепую, но за 30-40 минут лодка и суда проходят большой путь, и иногда при пробуждении случались неприятные сюрпризы. Во всяком случае, осматривайтесь каждый раз, когда просыпаетесь среди ночи. Мне даже нравилось проснуться, бросить взгляд на компас, услышать знакомую симфонию звуков рангоута, такелажа, парусов и струящейся воды, а затем снова сдрейфовать в сон. Но это было до того, как случилось столкновение.
Ложиться на ночь в дрейф лишь чуть-чуть безопаснее, чем оставаться на ходу. Уменьшается риск столкнуться с теми судами, которые также лежат в дрейфе, но их очень мало. Поскольку ваша скорость нулевая, суммарная скорость сближения будет зависеть только от скорости судов, что слегка повысит шансы вовремя заметить встречное судно. Но в этом случае вы очень сильно потеряете в скорости перехода.
Роберт Мэнри, совершивший одиночное плавание на Tinkerbelle, старался спать днем, чтобы бодрствовать всю ночь. Неохотно признаю, что в этой идее есть достоинства. На большинстве рыбацких судов еще нет авторулевых (Увы... теперь они есть и на самых мелких рыбаках. Ботик пыхтит, на корме кто-то возится, а в рубке пусто.) и рулевой смотрит вперед хотя бы иногда. Да и остальные на борту днем могут посмотреть вперед, увидеть вас и предупредить столкновение.
Радарный отражатель может внести большой вклад в вашу безопасность. В океане практически каждое судно оснащено радаром, и можнонадеяться, что ночью, в туман или плохую погоду кто-то посматривает на его экран, наблюдая за навигационной обстановкой и другими судами. Чтобы отображаться на радаре, судно должно быть металлическим или нести радарный отражатель. Парусная яхта на радаре не видна или видна плохо. Мачта и такелаж отражают радиоволны неэффективно, сигнал от корпуса может быть потерян на фоне засветки от волн: обычно порог чувствительности настроен так, чтобы волны не мешали. Импровизированный отражатель, например, поднятый вверх мешочек со слегка смятой алюминиевой фольгой и обрезками, улучшит ситуацию ненамного, сигнал от него слабый.
Правильное решение — уголковый отражатель из трех взаимно перпендикулярных металлических пластин, дающий сильный эхо-сигнал, так как возвращает излучение радара в ту сторону, откуда оно пришло (рис. 11-4).
Рис 11-4. Принцип действия уголкового отражателя.
По тому же принципу работают световозвращатели на дорожных знаках и пр. Несколько типичных отражателей показаны на рис. 11-5.
Рис 11-5. Формы уголковых отражателей.
Чтобы отражать радиоволны радара с длиной волны 5 мм, пластины отражателя должны быть сделаны из листового металла или сетки с ячейкой не крупнее 1 см. Чтобы отражатель хорошо работал, пластины должны быть плоскими, а углы между ними равны точно 90°; ошибка всего в 6 мм на кромке может вдвое уменьшить эхо-сигнал. Ромбовидный отражатель левый на рисунке) наименее подвержен деформации. Важен и размер отражателя, так как его эффективность (радиолокационное поперечное сечение) пропорциональна 4-й степени линейных размеров. Минимальный размер — 1 фут (30 см) по каждой стороне.
Так же важна и высота: отражатель должен быть поднят повыше, чтобы его не заслоняли гребни волн. Он может быть складным и подниматься на флаг-фале, но я считаю, что следует нести отражатель постоянно, несмотря на его воздушное сопротивление. У нас на «Алеутке» 30-см отражатель из 6-мм бронзовой сетки постоянно поднят под верхнюю краспицу в 25 футах над водой.
В морских магазинах продаются компактные отражатели в виде пластиковой трубки длиной около 0,5 м и диаметром 5 см, наполненной рядом отражательных секций формы, показанной на рис. 11-5 справа. Как пришлось убедиться, и такой отражатель эффективен.
2017, Скагеррак. Переход со шведской стороны начинался при сильном ветре, был мокрым, укачало. К ночи ветер стал стихать (прогноз не подвел), теперь можно было и отдохнуть. Разбудил сигнал тревоги АИС: с юго-запада наперерез шло судно, да как шло — 27 узлов!. Начал соображать, как бы сменить курс, но тут скоростной паром сам чуть-чуть отклонился, и аларм пропал. В это время, на расстоянии 5 миль, крупное судно было видно как слабый огонек на горизонте; заметить с него мой многократно более слабый круговой огонь не могли. Значит, сработал отражатель — никаких других причин менять курс здесь не было.
Superspeed 2, курсирующий между Ларвиком и Хирстхальсом.
Радар-детектор
Интересующихся общими сведениями об устройствах этого класса отсылаю у упомянутой выше книге А. Эванса.
Детекторы отклонения от курса
Раздел опущен. Обнаружение отклонения от заданного курса с выдачей соответствующего сигнала сегодня является обычной функцией GPS приемников. По сравнению с приспособлениями к магнитным компасам, о которых идет речь в книге, использование спутникового позиционирования позволяет получать истинные данные о движении судна над грунтом, на которые не накладывется ни снос течением, ни дрейф.
Дизайн яхты для работы с флюгерными авторулевыми
