Начало статьи.

 

Ходовые качества яхты.

Предсказание скорости яхты (VPP)
Гидро- и аэродинамические характеристики отдельных элементов используются в компьютерных программах предсказания скорости яхты VPP (Velocity Prediction Program). Общий принцип работы многочисленных версий VPP заключается в решении системы алгебраических уравнений, описывающих установившееся движение яхты под действием равновесия гидродинамических и аэродинамических сил при заданных курсе относительно истинного ветра y и его скорости [3, 6]:

Неизвестными в этих уравнениях являются скорость яхты v, углы дрейфа и крена; по результатам расчета строятся полярные диаграммы скоростей яхты, дающие полное представление о ее ходовых качествах в диапазоне курсов и скоростей ветра (см. рис).

Рис.4 Полярные диаграммы скоростей яхты класса IRM 12.5 м

В настоящее время VPP является не только незаменимым инструментом при проектировании и оптимизации проектов, но также применяются для обмера яхт по системе IMS и решения задач судовождения.

Компьютерное моделирование гонки (RMP)
Для оценки времени прохождения дистанции используется RMP (Race Modelling Program), в которую вводится формируемая на основе вероятностного подхода дистанция: каждому курсу относительно ветра и каждой скорости ветра назначается вероятность, исходя из данных многолетних наблюдений и известного распределения курсов.

Аналогично учитываются параметры волнения; наличие течений приводит к фактическому удлинению одних и укорочению других этапов.
Умножив скорости с поляры v на соответствующие вероятности p курсов y и скоростей ветра во всем их диапазоне, можно после их суммирования получить среднюю скорость и определить время t прохождения предполагаемой дистанции S:

Например, короткая гонка по треугольной Олимпийской дистанции состоит из 55% лавировки, 26% бакштага и 19% фордевинда; скорость ветра назначается как наиболее вероятная. В маршрутных гонках доля полных курсов выше - до 80% и более. Таким образом, используя VPP и RMP и определяя время прохождения дистанции t, обоснованно выбираются характеристики проектируемой яхты.

"Масштабное плавание"
Так можно перевести английское "scale sailing", означающее полунатурные испытания самоходных моделей яхт. Настоящий "бум" этого метода пришелся на кампанию Кубка Америки 1992 года, когда его использовали практически все участвующие синдикаты. Построить и испытать такую 4…7-метровую самоходную управляемую яхту-модель несомненно дешевле и быстрее, чем настоящую яхту.

Натурные испытания яхт
Анализ испытаний яхт - наиболее полный источник информации о ходовых качествах и работоспособности конструкций, необходимый как для совершенствования уже построенной яхты, так и для создания новых проектов и разработки VPP. Метод натурных испытаний часто используется для окончательного выбора формы и расположения выступающих частей, с учетом их работы в условиях качки судна: киль набирается из блоков, собираемых наподобие детского конструктора, и испытывается в разных комбинациях.
При натурных пробегах используются приборы, объединенные в интегрированную систему через бортовой компьютер: от вертушечного лага и анемометра до GPS и полицейского радара. Для контроля профиля парусов применяются нанесенные на них специальные полосы, форма которых фиксируется видеокамерами.

Конструкция и прочность корпуса и парусного вооружения

Задача конструкторов несколько облегчается тем, что для морских гоночных яхт категорий 0, 1 и 2 спецправила ORC требуют соответствия конструкции правилам ABS (American Bureau of Shipping) или RCD (Recreational Craft Directive). Так, автором статьи разработана программа, использующая чтение графической базы данных трехмерного чертежа для расчета конструкции (по ABS), весовых и инерционных характеристик корпуса.
Недавние случаи разрушения яхты "Young America", катамарана "Team Philips" и т.д. заставляют уделять особое внимание прочности и надежности сверхлегких скоростных экстремальных судов, построенных из современных композиционных материалов и испытывающих нагрузки, близкие к критическим. Например, для океанских яхт класса OPEN60 в подверженных слемингу районах корпуса установленные из практики расчетные напоры для обшивки, стрингеров и рамных шпангоутов составляют 30, 15 и 6 м соответственно. В борьбе за снижение веса конструкции, прочностные расчеты корпуса и вооружения гоночных яхт выполняются с использованием метода конечных элементов FEM (Finite Elements Method). Исследования свойств армированных пластиков и FEM-расчеты выполняются с привлечением компаний соответствующего профиля.

Рис.6 Трехмерный вид яхты класса IRM 12.5 м "Зарница 1250"

Вопросы дизайна

Высокая конкуренция на рынке плавсредств для спорта и отдыха предъявляет особые требования к дизайну и художественному проектированию этой специфической судостроительной продукции, ориентированной на массового потребителя. Покупатель яхты или катера зачастую недостаточно подготовлен в "технических вопросах", и на передний план выходит критерий внешней привлекательности судна.
На стадии дизайнерских проработок и представления проекта потенциальному заказчику незаменимо фотореалистичное изображение - компьютерная визуализация, полученная с использованием тонирования трехмерной модели. В качестве примера на рис.6 показана "трехмерка" яхты класса IRM 12.5 м (проект автора статьи).

Говоря о дальнейших перспективах яхтостроения, следует отметить развитие средств активного противодействия крену; резервы скрыты и в совершенствование парусного вооружения [5]. Требует внимания надежность конструкций: многие гонки проигрываются из-за поломок. Существуют "белые пятна" и в динамике яхты: анализ показывает, что, например, в матчевой гонке яхта проходит в нестационарном режиме (торможение, поворот, разгон) значительную часть дистанции. Автором статьи разработана и совершенствуется компьютерная программа SCD (Sail Craft Dynamics), позволяющая моделировать маневрирование яхты, проводятся экспериментальные работы по исследованию нестационарных гидродинамических характеристик.
И все же, как и сто лет назад, проектирование яхт нуждается в творческом подходе и во многом остается искусством, а высокотехнологичные проекты вовсе не гарантируют победу. Конструктор яхты руководствуется не только расчетом, а помимо всего опытом и интуицией, его мастерство - в правильном применении и интерпретации достижений технологии. В реальности задача ученых, как правило, сводится к количественному усовершенствованию параметров яхт, отработке, обкатке деталей - и это обеспечивает требуемый результат… до появления качественно новых идей.

Литература

1. Gerritsma J., Keuning J.A., Versluis A. Sailing Yacht Performance in Calm Water and in Waves. // Eleventh Chesapeake Sailing Yacht Symposium. 1993. pp.233-246.
2. Hollister S.M. The Design Spiral for Computer Aided Boat Design. 1994.
3. Larsson L., Eliasson R. Principles of Yacht Design. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
4. Mills M. The State of Yacht Design. // Yachts & Yachting, June, 1997.
5. Marchaj C.A. Sail Performance. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
6. Король И.Э., Назаров А.Г. Практические расчеты ходовых качеств парусных яхт. // Вестник СевГТУ, Вып.6. Севастополь, 1997. С.32-36.
7. Назаров А.Г. Вопросы адаптации и применения CAD-систем для автоматизированного проектирования малотоннажных судов // Моделирование и исследование сложных систем. Труды международной научно-технической конференции. Том 1. Москва: МГАПИ, 2000. С.99-101.

05.09.2003