Стаксельное вооружение. Баланс интересов.

Последняя мода на различные вариации подводных крыльев, они же фойлы, как и погоня за скоростью в идеальных условиях на нереальные бюджеты, как то отодвинуло на задний план интересы  тех, кому крылья не нужны вообще, если только это не крылья мечты.


Того кто ходит далеко и надолго, в отличие от тех, кто ходит  рядом и недолго, интересуют совершенно разные вопросы и не только несколько лишних узлов по гладкой воде или размер топливного бака, например такие:
Сбалансированность лодки парусами, отсюда любовь к кечам и длинным киля, хотя последние имеют мало отношения парусному балансу.
Широкий ветровой диапазон до первого рифа, даже в ущерб скорости при слабых ветрах, здесь опять же кеч или куттер в приоритете.
Удобство управления одному, отсюда различные вариации "self-tacking jibs", хотя к океанскому плаванию это имеет мало отношения, но в скандинавских шхерах вещь очень полезная.

Так или иначе, неоднократно делались попытки модернизировать стандартное парусное вооружение на парусной яхте и адаптировать его под конкретные цели и даже районы плавания. История эта старая и вариантов было немало, свое влияние оказывали и различные формулы обмера яхта, от огромных 140% генуй до больших "горбатых" гротов со сквозными латами, вероятно последние VOR-65 являются некоторым пределом в оптимизации традиционного парусного вооружения. Также стоит упомянуть и свободно стоящие мачты, вооружение джонкой, ну и конечно стаксельное вооружение, о котором и хочу поделиться соображениями в этой статье.

Основными целями всех вариантов стаксельного вооружения были улучшение аэродинамики парусов и простота их управления одним человеком.
За счет завихрений около мачты и гика на острых курсах, обычный грот имеет в среднем эффективность ниже на 10-15% ниже, чем парус установленный на штаге.
Для частичной компенсации этих потерь применяют мачты с более узким профилем  или используют поворотные мачты, особенно это часто встречается на катамаранах.

Одним из первых оригинальных проектов была 45-футовая яхта "Diomedea Exulans" с необычным вооружением, которая  была построена в 1964 году.


Наиболее известная яхта со стаксельным вооружением это конечно Vendredy-13 по проекту Dick Carter (мы его знаем по проекту Carter-30), это огромная стальная яхта, около 120 фт длиной, принимала участие в трансатлантической гонке одиночек OSTAR-1972 и заняла второе место. Тогда это была самая большая яхта в мире, управляемая в одиночку.


После успеха Vendredi-13, Dick Carter разработал стаксельное вооружение под названием "Luna Rig" для небольших яхт от 35 до 50 фт, две одинаковые по высоте мачты, несущие два стакселя.
 

Также есть старое и хорошо известное вооружение стаксельной шхуной (staysail schooner), которое использовалось на некоторых яхтах и есть много проектов с таким вооружением.


Стаксельное вооружение чаще применятся на катамаранах, так как позволяет вынести шкоты далеко на борт, это эффективно на полных курсах, на однокорпусных яхтах этого не сделать.
Есть вооружения и с одной большой генуей на наклонной мачте, это пожалуй самая простая конструкция, но тоже имеет свои ограничения, в частности на полных курсах. Характерным примером такого вооружения является катамарана HK-40, которые строятся в Таиланде.


Как вариация на тему стаксельного вооружения, есть комбинация мачты-крыла, который заменяет грот, и передних парусов на штагах. Катамаран Atlantic-47 по проекту Chris White имеет такое вооружение и стакселя на стаксельных рейках (стаксель-гик).


При стаксельном вооружении иногда используют А-мачты (Bi-pod mast), так как для несения большого переднего паруса, надо иметь сильное натяжение шкаторины и получаются большие нагрузки в такелаже. А-мачта имеет прочную конструкцию и усиленный ахтерштаг. Наиболее экстравагантным применением такого вооружения является 65фт Amoco Procyon по концепции Olaf Harken (все знают только его блоки и лебедки), вообще это была очень прогрессивная яхта для 1991 года, было применено много новых технических решений, может даже стоит о ней написать отдельно.


Еще один вариант стаксельного вооружения дизайнера Brian Eiland, так называемый "staysail ketch", так как здесь основной центральный парус это стаксель, центр парусности которого находится около ЦБС, фактически это как грот, а кормовой парус выполняет роль бизани, т.е. это позволяет регулировать площадь парусности без существенного смещения центра парусности и обеспечивать парусной баланс лодки. 


Исходно это проект парусного вооружения был предназначен для катамаранов, но так и не был реализован в практике.
На схеме ниже видно, что общая площадь парусности незначительно отличается от обычного вооружения шлюпом, но центр парусности несколько ниже. 



Независимо от варианта стаксельного вооружения, нюансы есть и их надо учитывать при оценке плюсов и минусов стаксельного вооружения по сравнению с обычным вооружением шлюпом, куттером или кетчем.
- площадь парусности стаксельного вооружения меньше и ЦП расположен ниже, чем на обычном вооружении. Это имеет и плюсы и минусы, меньше скорость при слабых ветрах, но и при усилении ветра рифы надо брать несколько позже, т.е. рабочий диапазон стандартных парусов шире.
- паруса на отдельных штагах более эффективны, чем грот в комплексе с мачтой и гиком, но и отдельно стоящая мачта также создает большее завихрения потока, чем работающая в паре с гротом и гиком. Поэтому эффект от стаксельного вооружения конечно есть, но он меньше чем в теории и можно его оценить в размере увеличения тяги примерно на 10% больше, чем у шлюпа.
- несение больших передних парусов, требует большого натяжения штагов и соответственно нагрузок в такелаже и мачте. В этом случае использование А-мачты в общем оправдано, но дополнительный вес высокой и мощной мачты сказывается на общей остойчивости яхты или катамарана.
- использование стаксельного вооружения на катамаранах более оправдано чем на однокорпусных яхтах, так как ширина корпусов позволят регулировать тягу шкотов в более широком диапазоне.
- основное преимущество стаксельного вооружения на катамаранах, мотосейлерах и круизных яхтах, это удобство работы с парусами на всех курсах и одним человеком, т.е рифление или уборка любого паруса занимает буквально минуты и не требует изменения курса и выхода на палубу, что безусловно удобно на любой круизной яхте.
- разбивка общей парусности на 3 паруса (staysail ketch) позволяет легко менять площадь парусности без ущерба для общего парусного баланса яхты. Использование современных  "плоских" закруток с лентой, ручных, электрических или в комплекте с электрической лебедкой, существенно облегчает работу с парусами.

Есть конечно в интернете данные продувки моделей в аэродинамической трубе и расчетные данные по стаксельному вооружению, но практика, хоть и на бытовом уровне, тоже имеет значение. На одиночном переходе 150 миль с Балеарских островов, провел небольшой тест на моей яхте Soler-35 на различных курсах, с использованием генуи 110% и штормового стакселя, как имитации стаксельного вооружения.
На полных курсах, конечно был значительный твист генуи (36 м2) и катамаран тут был бы более пригоден для несения такого паруса.


Но с точки зрения скорости, потеря было очень незначительная, примерно около 0.5-0.7 узла, по сравнению с полными парусами, грот 44 м2 + генуя 36 м2 = 80 м2.



На бакштаге при TWS около 13-16 узлов, скорость была стабильно около 5.3-5.8 узла, когда при полных парусах обычно в этих условиях скорость бывает около 6-6.7 узлов. 


Лаг подтормаживает, поэтому BSPD показывает 4.7 узла, но это район без течений, поэтому SOG 5.5 узлов можно считать близкой и истинной скорости. Обратите внимание, что руль фактически около 0 градусов, и автопилот работал минимально, это говорит о сбалансированности лодки парусами на этом курсе.

Думаю это можно объяснить так, что несмотря на уменьшение парусности , фактически на 55% от полной, одна генуя работала значительно эффективнее, предположим лучше на 30%, таким образом потеря тяги от уменьшения парусности составило эмпирические 25%, т.е. скорость должна быть около 5+ узлов, что и было фактически, т.е. недалеко от истины.

На острых курсах картина несколько другая, была использована генуя 36 м2 и штормовой стаксель 13 м2, т.е. общая площадь была 49 м2, это примерно 60% от полной парусности 80 м2 (грот + генуя). 


При TWS около 12 узлов, скорость была около 5.5 узлов, при полных парусах 80 м2 на этом курсе обычно скорость 6-6.5 узлов.


Тут еще надо отметить несбалансированность лодки парусами, руль постоянно лежал на увал около 10 градусов, думаю что это добавило в минус еще как минимум 0.3 узла.


Таким образом в сумме, площадь парусов была уменьшена на 40%, т.е. очень грубо скорость (без высшей математики и гидродинамики) должна быть около 4 узлов в теории, а фактически мы имели около 5.5 узлов, т.е. падение скорости составило всего 20% от скорости под полными парусами.
Тут конечно надо учитывать, что лодка специфическая и небольшая, длина по ВЛ 9,9 метра, расчетная скорость корпуса по Фруду около 7.5 узлов, реально после 7 узлов лодка начинает глиссировать.
Вывод можно сделать приблизительно такой, что несмотря на существенное уменьшение парусности за счет грота (на 40%), падение скорости всего около 20% на всех курсах, можно говорить осторожно, что стаксельное вооружение более эффективное грубо на 15-20%, чем обычный шлюп, именно такую цифру и озвучивают конструктора, которые занимаются математическими расчетами парусного вооружения.

Оценив плюсы и минусы различных вариантов, при работе над концепт-проектом круизной яхты M50 RITA, решил нарисовать свою версию стаксельного вооружения для круизной яхты.


Основным рабочим парусом является центральный парус, его можно называть по разному, но фактически он выполняет роль грота, причем под одним этим парусом обеспечивается парусный баланс, т.е. в сильный ветер можно спокойно ходить под одним эти парусом, без излишне нагрузки на автопилот. Также предусмотрен и съемный штаг для штормовых условий, штормового стакселя или триселя, как больше нравится в даном случае.

Кормовой парус, условно "бизань" наиболее "тонкий" элемент в моей версии стаксельного вооружения. Для выноса бизани, пришлось использовать реек с креплением на палубе, закрутка обычная "стаксельная". Так как парус достаточно узкий, без вертикальных лат не обойтись, это несколько улучшает форму паруса и увеличивает площадь.
Примерно как у меня на генуе стоят вертикальные латы, которые реально держат форму и заднюю шкаторину на всех курсах.


Конечно близко расположенная к мачте вертикальная закрутка "бизани" создает дополнительное завихрения на парусе, но учитывая его небольшую площадь и вспомогательную функцию, этим можно пожертвовать или увеличить наклон мачты. Как вариант, можно сделать закрутку в мачту, парус небольшой, поэтому больших проблем не будет с закручиванием в мачту.
Не знаю, но может кто-то захочет реализовать такой вариант вооружения для круизной яхте, по моему это вполне удобно и практично, но время покажет, слишком консервативный мир круизных яхтсменов, это конечно не гонщики, летуны на "фойлах" !

Счастливого плавания !

6 комментариев:

  1. Продолжим (мысленно) эксперимент с несением одной генуи на бакштаге:
    - на одной генуе, 45% парусности скорость 5.3-5.8 узла, когда при полных парусах обычно в этих условиях скорость бывает около 6-6.7. То есть 87% (брал среднее арифметическое крайних значений диапазона скоростей). Выигрыш 1,93.
    - осмелюсь предположить, что на одном гроте, 55% площади, скорость будет также выше, чем 55% от обычной. Предположим, что она будет такой же, как на одной генуе, то есть 5,55, или 87% от скорости под полными парусами. Выигрыш 1,58.
    Напрашивается вывод, что паруса мешают друг другу! И в одиночку работают в полтора-два раза эффективнее )))))
    Умозаключение шуточное, но вдруг?

    ОтветитьУдалить
  2. На бакштаге генуя частично закрывается гротом и поэтому не работает на 100%, т.е. убирая грот, уменьшая общую площадь грубо на 50%, скорость падает только на 20%, на одном гроте надо будет попробовать.... ля полноты эксперимента.

    ОтветитьУдалить
  3. Ничего шуточного, так оно и есть. генуя всегда мешает гроту на острых курсах, накидывая на подветренную его сторону поток. Грот мешает генуе на полных курсах своей тенью.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Насчет острых курсов не совсем так, передний парус как раз улучшает обтекание грота и создает дополнительное разряжение на подветренной части грота, что повышает тягу грота.

      Удалить
  4. ... да всё просто :) - Да, на полных курсах грот "мешает" генуе, а на острых курсах генуя создаёт "свой" поток для грота, но она большая и этот поток не так эффективен, как при малос стакселе, оттого Лучше, ежели грот значительно больше стакселя, скажем как на "звёзднике" :) а на полных курсах - "бабочка", желательно с использованием гика тсакселя - спинакер гика для стакселя - и грот не будет давать "тень" на стаксель, и баланс паруса/ЦБС/геометрия смоченной поверхности - сопротивление движению корпуса - лучше :) ... Но, управляться с большим гротом без всяких закруток и со сквозными латами - много тяжелее, нежели со стакселем на закрутке...

    ОтветитьУдалить
  5. Мы часто видим как некоторые "туристы" ходят только под одной генуей, не поднимая грота, потеря 1 узла не принципиальна в данном случае.

    ОтветитьУдалить