80 лет стеклопластику. Конструктив.

Как вопрос "физиков и лириков" волновал старшее поколение, так вопрос какая лодка лучше,  волнует будущих владельцев - старая или новая, металл или пластик, легкая или тяжелая. Сегодня мы вспомним как стеклопластик пришел в нашу жизнь и в строительство яхт и к чему это привело. 

Недавно исполнилось 80 лет собственно самому стеклопластику и около 50 лет с начала производства стеклопластиковых катеров и яхт. Как известно, само стекловолокно (glass fiber) и полиэфирная смола (polyester resin) были запатентованы в США в 1937 году. Неофициально считается что первую стеклопластиковую лодку построил Ray Greene (Ray Greene & Co.) в США в 1942 году и это был швертбот типа Snipe, яхты стали строить позже и одним из пионеров в этом деле был Clinton Pearson.

Первая стеклопластиковая мачта была сделана в Калифорнии в 1948 году.

В Европе первые стеклопластиковые яхты стали строить в начале 50-х годов, компания W&J Tod построила 12фт швертбот с использованием полиэфирной смолы Scott Bader.

Далее применение стеклопластика в малом судостроении развивалось лавинообразно.

Бытует такое мнение, что в начале эры стеклопластиковых катеров и яхт, конструктив просто копировали с деревянных аналогов, так как не было ни понимания работы нового материала, ни статистики, ни расчетов. Это не совсем так, в 50-60х годах уже проводились исследования и тесты стеклопластиковых материалов и возможностей их использования в различных сферах, поэтому конечно производители "что-то знали". Это правда, что "старые и добрые яхты" имели толщины стеклопластика соизмеримые с деревянной обшивкой, т.е.  25-30 мм было не редкостью на 10 метровых яхтах.

Вырезы из обшивки всегда любят показывать, как доказательство качества корпуса, но так ли это на самом деле ? На фото толщины одной из первых яхт Morgan-38....

Причин для таких толщин было несколько, например конструкция корпуса, так как на деревянных яхтах обшивка в значительной мере была и несущим элементом,  на пластиковых лодках копировали такой же примерно набор. Сам материал стеклопластика довольно слабый и поэтому для обеспечения прочности всего корпуса, на поверхностях между набором требовалось прочность "панели", которую можно было получить толщиной материала.

В 60-70 годы часть яхт строилось из дерева и часть из стеклопластика, деревянные имели более жесткие корпуса и легче пластиковых, за счет этого имели больше балласта и соответственно лучше остойчивость и ходовые качества.

Т.е. пластиковые яхты были тяжелыми и "мягкими" и имели некоторые деформации корпуса при значительных нагрузках

Особенностью пластика, являлось и то, что он не любит переменных нагрузок. Изначально пластик может иметь значительный запас прочности, когда лодка новая, но с течением времени, при переменных нагрузках и деформациях корпуса, этот запас прочности постепенно теряется. Таким образом несмотря на значительную толщину обшивки, старые яхты подвержены потере запаса прочности всей конструкции с течением времени, в первую очередь это относится к палубам. Отдельная тема это влажность, осмос и расслоение стеклопластика.

Следующий вопрос про сами материалы, хотя химически состав по сути прежний, это все та-же полиэфирная смола, но после 1970 года, из-за нефтяного кризиса, состав смол был изменен и "упрощен", такая смола имела худшие характеристики и защиту от осмоса. Это все выявилось позже и около 1980 года состав смол снова был изменен в лучшую сторону.  Именно поэтому много яхт постройки 70-80х годов страдают от осмоса или конструктивных проблем.

На яхтах 60-70-х годов постройки, добавлялись различные присадки, температурный и технологический контроль производился "на глаз", иногда это давало экономию, но никогда не добавляло прочности стеклопластику. Формование производилось вручную и не всегда хорошо обученными рабочими, так как это тоже стоило дополнительных затрат.

Наибольший "вред" приносили "ускорители", ведь чем быстрее встает смола, тем быстрее можно вытащить корпус из матрицы, тем быстрее строится яхта и меньше ее себестоимость.

А сегодня что, когда приходит новая серийная яхта с верфи, запах внутри надо выветривать еще долгое время, это все говорит о "невыдержанном" пластике.

Таким образом проблемы серийного "мейнстрима" сегодня, это не что-то новое, все уже было, только на другом технологическом уровне.

Другой компонент стеклопластика это собственно сама "стеклоткань", как известно, наибольшая прочность стеклопластика в направлении волокон, однако сначала широко использовались ненаправленные маты из стекловолокна, которые были достаточно дешевые и их повсеместно использовали для экономии. Но стекломаты материал довольно "тонкий", волокна хрупкие и короткие,  частично повреждалась при хранении в плотно свернутых рулонах. Прочность таких матов значительно отличалась от тканных материалов, в которых были направленные волокна, которые располагались в ламинате согласно предполагаемым расчетным нагрузкам, но и стоили такие ткани дороже. Строители яхт в 60-х годах не придавали этому значения, на количестве стекломата не экономили и массово применяли их в корпуса, которые "заливали" смолой, поэтому несмотря на толщину,  такие корпуса имели заложенные конструктивные проблемы с момента постройки.

Следующим важным моментом является соотношение смолы и волокна (стеклоткани), чем меньше содержание смолы, тем прочнее стеклопластик, собственно прочность обеспечивает как раз волокна, а не сама смола, которая служит только для того чтобы соединить волокна вместе, не более того. 

Что мы видим в сумме на "старых и добрых яхтах" - лодки строились вручную, нередко с использованием низко квалифицированных рабочих, погоня за производительностью труда и снижение издержек, применение ускорителей в смолк, дешевые материалы, корпуса формовались быстро и без должного прикатывания стеклоткани, с большим процентом содержания смолы. 

Среднее содержание смолы в те годы составляло около 40-50%, для сравнения современный корпус по технологии вакуумной инфузии имеет около 30% содержания смолы в ламинате, т.е. он существенно легче и прочнее.

Именно результаты такого подхода мы  видим в вырезах в старых корпусах толщиной 25+ мм. Была также технология напыления рубленного волокна в матрицу, которая дожила и до нашего времени, многие знают это по американским катерам, которые завезли в значительном количестве в Россию в 90х годах.

В 60-70х годах проще было "налить" чуть побольше смолы, чем "выкатывать" вручную возможные пустоты в ламинате.

Чтобы обеспечить необходимую прочность, корпуса получались тяжелые, те кто пытался сделать корпус легче, получал "мягкие" корпуса, которые страдали от деформаций и частичных разрушений, это в большей степени касалось коенчно гоночных яхт.

Это как технологическая петля, чтобы яхты была прочной, легкой и быстрой, надо иметь прочный корпус, чтобы иметь прочный корпус надо иметь хороший набор и прочную обшивку, но это делает яхту тяжелей и медленной, и  так далее по кругу.

Несмотря на распространенное массовое мнение, что старая тяжелая яхта это хорошо, на самом деле это не совсем так, хотя не многие это осознают. Тяжелая яхта испытывает больше нагрузок при ходе на волне, толщина корпуса уменьшает внутренний объем и не всегда значит повышенную прочность всей конструкции, уменьшается полезная нагрузка яхты, уменьшается процент балласта в киле, хуже остойчивость и меньше парусов, т.е. такие яхты просто как минимум более медленные. Вопросы грузоподъемности и скорости обсудим в следующей статье.

Понимание конструкторами и строителями, что корпуса должны быть прочные, жесткие и легкие, привело к использованию сендвичевых конструкций. Сначала на переборках и палубах и позже и на бортах. Первоначально наполнителем была бальса, которая была дешевой и прочной в поперечном сечении, но как натуральный материал, страдала от гниения в случае проникновения воды, а массовое использование тиковых палуб на шурупах, нередко приводило как раз к проникновению воды и как следствие гнилые внутри палубы, которые физически теряли свою прочность, а корпус свою жесткость. Этим страдают многие старые яхты, в частности американские яхты 70-80х годов постройки. Специальных смол не было, плохая пропитка, попадание воды и как результат расслоение сендвича, именно с тех пор идет поверие, что сендвич это не очень хорошо, на старых лодка конечно, но сейчас сендвич это уже совершенно другие конструкции и материалы, поэтому ссылаться на сюрвейерные акты 10 летней давности о 30-летних яхтах, это просто не корректно.

Сейчас это вакуумная инфузия, перфорированные пенопласты высокой плотности с закрытыми порами, эпоксивиниловые смолы, усиления кевларом и карбоном, в общем уже ближе к космосу. Все эти технологии и материалы сейчас доступны физически и по цене даже небольшим компаниям.

На фото формование сендвичевого корпуса Soler-35 с кевларовым наружным слоем, перфорированным пенопластом Corecell c винилэстеровой смолой Scott Bader.

Наиболее важным элементов любой конструкции является силовой набор - шпангоуты, стрингера, бимсы и т.д. Во первых они должны быть правильно расположены и просчитаны, т.е. в наиболее нагруженных местах, должны быть усиления в виде дополнительного набора или усиления самой "панели" обшивки, в частности применение карбона/кевлара или замена сендвича на монолитный стеклопластик в местах концентрации напряжений.

Во-вторых, набор должен быть жестко прикреплен к обшивке, только в этом случае образуется общая жесткая и легкая конструкция. Поэтому важно, чтобы переборки и шпангоуты были приформованы к корпусу, лучше конечно таким-же материалом, как и сам корпус.

Также важна и ширина "фланца", которым приформована переборка, чем больше "разнос" нагрузки на обшивку корпуса, тем лучше. Именно так мы делаем на всех наших яхтах, на фото стенка танка водяного балласта и переборка камбуза, приформованные к сендвичевому корпусу Soler-35.

Начиная примерно с 2005-2008 года, большинство серийных производителей вклеивают силовые элементы на специальные высокомолекулярные клеи и компаунды, без ламинирования к набору корпуса.

Такой "современный мейнстримный" метод вклеивания переборок на  клеи не может считаться оптимальным, так как нагрузка на отрыв/сдвиг концентрируется на очень узком участке и со временем такая концентрация напряжения может привести к повреждению самого ламината обшивки. В этом плане конечно сварной алюминиевый или стальной корпус не имеет конкурентов по жесткости конструкции корпуса.

Отдельный вопрос, это силовой набор днища, который обеспечивает собственно прочность корпуса и крепление киля.

Первоначально использовались набор днищевой части корпуса в виде одного или нескольких элементов, изготовленных в матрицах или из фанеры, так называемый "паук", который приклеивается или формуется к днищу.

В некоторых моделях этот элемент частично или полностью делают из металла, хотя особо большого смысла в этом нет, скорее больше маркетинговый ход, сейчас можно легко посчитать и изготовить конструкцию превышающую по прочности стальной аналог.

На фото яхта Alekstar-38 с  с приклеенным "пауком" на днище сендвичевого корпуса, который имеет локальные усиления из карбона.

Такая конструкция днищевого набора в сочетании с приформованными переборками, обеспечивает наиболее оптимальное сочетание веса и прочности всего корпуса.

Из крупных серийных производителей, пожалуй только Jeanneau продолжало еще строить "правильные" корпуса, когда все элементы (шпангоуты, переборки, мебель и т.д.) приформованы к корпусу, локальные усиления Кевларом и наружный слой сделан на винилэстеровой смоле для лучшей защиты от осмоса и повреждений.

Корпуса по такой технологии Jeanneau выпускало примерно до 2003-2005 года, после этого под влиянием группы Beneteau и общих тенденций удешевления производства, они перешли на так называемую "внутреннюю секцию". Это один общий элемент, который целиком изготавливается в матрице и вклеивается в днищевую часть корпуса.

На на фото вклейка такой секции на верфи Dufour, сейчас так строят практически все серийные яхты.

Конечно это метод технологически более простой и дешевый, но есть и минусы. 

Практически нет доступа к самой обшивке корпуса, что не очень хорошо с точки зрения практики и ремонтопригодности. 

Нет контроля за качеством вклейки всей секции в корпус, поэтому никто не знает насколько гарантирована общая прочность корпуса. 

При переменных нагрузках возможно локальное отслоение секции от обшивки и это никак не проконтролировать, если пойдут трещины на днище снаружи, значит есть проблемы, но если честно говорить, то в этом случае корпус не ремонтопригоден и это большой минус, хотя для подавляющего большинства владельцев это не актуально, но при покупке яхты б/у надо смотреть внимательно. 

Почему не любят покупать чартерные яхты, да потому что почти наверняка были посадки на мель или удары о камни, килевые болты можно заменить, а вот если "пошел" набор это проблема, которую не всегда видно по толстым слоем необрастайки.

Точные, быстрые и детальные расчеты прочности стали возможны при появлении современных конструкторских программ в 90е годы. Как правило используется расчет по методу "конечных элементов" (Finite elments), который появился в 60-70х годах, как принцип расчета, а теория была известна еще с 40х годов. Современные CAD программы позволяют полностью сконструировать и просчитать яхту на обычном ноутбуке с очень высокой точностью, если конечно конструктор имеет достаточный опыт и понимание вопроса, что не всегда гарантировано дипломом.

Конечно в проекте все просчитано, но бывают ошибки строителя или непонимание между конструктором и строителем, все помнят эпохальную историю с Oyster 825 "Polina Star III", расследование которой детально провел Артур Гроховский (Yacht Russia), а не "великие" английские яхтостроители.

Начиная примерно с конца 80х годов, конструктора и строители стали уделять больше внимания самой конструкции корпуса, стало меньше содержание смолы в ламинате, силовой набор располагается по расчету нагрузок, креплению набора к обшивке уделялось больше внимания, стали больше использоваться направленные ткани и  меньше стекломаты, частично началось использование сендвичевых элементов в корпус. Как результат, яхты конечно стали в общем легче, прочнее и быстрее, чем яхты 60-70х годов выпуска.

В заключение этой небольшой статьи, посвященной 80-летию стеклопластика, подведем некоторый итог, чтобы читатели понимали, что прочность самого корпуса яхты зависит не только от толщины обшивки корпуса.

Конструкция корпуса может быть разной, например монокок (несущая обшивка, практически без набора), развитый несущий набор с тонкой обшивкой корпуса (как на самолетах), сендвичевая обшивка с усилениями набором корпуса и другие вариации.

Последняя конструкция будет самой легкой и прочной по всем характеристикам, соответственно практически не будет деформаций, заклинивания дверей, трещин на переборках и т.д., такая яхты будет лучше нести парусное вооружение и испытывать меньше нагрузок на элементы.

Что касается прочности самого ламината стеклопластика, как уже отмечалось выше, то это тоже зависит от нескольких параметров. Качество формовки стеклопластика, вручную (hand laid) не всегда является синонимом качества, важным моментом является соотношение смолы и стекловолокон, все зависит что это за руки (hands). Качество и тип стеклотканей, это зависит как от строителя, так и от конструктора яхты, насколько правильно подобранны и расположены материалы в корпусе.

Сегодня многие производителей используют технологию вакуумной инфузии при ламинировании корпуса, это самое лучшее, что можно было придумать для производства качественной конструкции, цельного ламината или сендвича. Оптимальное соотношение смолы и ткани, практически отсутствие "человеческого фактора", быстрый и экологически чистый процесс. Один недостаток, если неправильно расположена подача смолы и есть пустоты, то бракуется весь корпус.

Карбоновые или кевларовые такни могут использоваться как на весь корпус, что оправдано для гоночных яхт, или частично для локального усиления элементов.

Еще надо учесть какие используются смолы, относительно дешевые и универсальные полиэфирные, более качественные винилэстерные или самые дорогие эпоксидные.

Еще одной характеристикой корпуса является так называемая "абразивная стойкость", с этой точки зрения стальной корпус толщиной 30мм будет идеальным решением, т.е. можно сидеть на рифах месяцами и ждать когда протрется корпус, хотя это имеет мало отношения к парусным яхтам, которых ходят по морям и океанам, ну или по крайней мере стоят в маринах.

Также есть такое понятие, как стойкость к "протыканию", т.е. точечное воздействие на обшивку корпуса, хотя это и бывает, но не часто. В современных конструкциях этот вопрос решают использованием Кевлара в наружном слое ламината, т.е. фактически почти "пуленепробиваемый" корпус. Кевлар в носовой части стали использовать Jeanneau и Dehler с конца 90-х годов до начала 00-х. 

Параметр "проникновения" воды в ламинат в большей степени зависит от качества смолы, гелькоута и качества  формовки корпуса. Оптимальным материалом сегодня по качеству и цене является винилэпоксидная или винилэстеровая смола, которая обеспечивает хорошую защиту от поглощения воды в ламинат или сендвич, а также гелькоуты на базе винилэстеровых смол.

Также сегодня иногда добавляют дополнительный промежуточный слой без стеклоткани между гелькоутом и самим ламинатом, это создает хорошую защиту от проникновения воды. Снаружи гелькоута и ниже ватерлинии применяют эпоксидные грунты под необрастайку.

Таким образом проникновение воды практически невозможно и как следствие отсутствие осмоса, потери прочности и расслоения сендвича и т.д.

Надо конечно отметить, что, это все отлично работает, когда сделано грамотно и при полном соблюдении технологии, Конечно всегда есть брак и на крупном производстве и на небольших верфях, хотя это реже. В наше время скорее проблема не в материала и технологиях, а в порядке их применения, т.е. в человеческом факторе. Вы можете посмотреть кто работает на верфи и насколько эти люди в принципе могут соблюдать технологический регламент, я про работу гастерейбайтеров.

Наверно сказанное выше дает частичный ответ на вопрос, почему custom яхты, построенные на заказ не профессиональной верфи стоят примерно в 2-3 раза дороже любого мейнстрима из магазина.

Очень условно всю историю строительства из стеклопластика можно разделить на периоды по методам проектирования и постройки яхт:

50-70е года - начало, тяжелые и не всегда жесткие корпуса, нередко с проблемами осмоса и гнилых сендвичевых палуб.

70-80е года - период проб и ошибок, постепенное улучшение конструкций.

80-90е года - появление новых материалов и улучшение качества ламинатов.

90-00 года - внедрение компьютерных расчетов и развитее новых материалов и конструкций, смена генерального направления продаж от частных клиентов к группам чартерных компаний.

00-10 года  - оптимизация технологий с целью понижения себестоимости готового продукта, переход верфей во владение финансовых групп, оптимизация управления производством и продажами яхт.

10-17 года - ориентация на прибрежное плавание и чартерный рынок, упрощение конструкции и автоматизация производства, понижение цен и качества комплектующих и сборки, особое внимание внешним эффектам и модерновым интерьерам, посредственные парусные характеристики, ежегодная смена моделей в погоне за покупателем.

Даже "священные коровы" из Швеции и Англии уже не те, чтобы были раньше, не говоря уже о мейнстриме, хотя каждый год новые модели и есть все большие лежаки на палубе, все это по очень гуманным ценам за новую яхту.

Таким образом, картина в общем не оптимистичная, в погоне за прибылью на переполненном низко бюджетном рынке, корпорации идут по пути внешних эффектов и снижения себестоимости, при колоссальных вложения в маркетинг и продажи.

В качестве вывода, можно сказать, что современный композитный корпус яхты на заказ (custom) будет легким и прочным при следующих условиях: иметь сендвичевый корпус с  сендвичевыми переборками, набором и мебелью, приформованными к корпусу и палубе, а палуба и корпус приформованы друг к другу по всему периметру, локальные монолитные усиления с использование карбона, наружный слой усилен слоем Кевлара, винилэстеровая смола и гелькоут, вакуумное формование всех элементов. 

Именно такая конструкция была использована на Soler-35, который на ходу уже 2 года, корпус очень жесткий и прочный, никаких деформаций и заклинивающихся дверей, провисания такелажа и т.д., собственная практика подтвердила теорию.

Соперничать с такой конструкцией может только если алюминиевый сварной корпус и то при размере больше 40фт, что тоже уже проверялось не раз.

Сейчас у меня есть возможность спроектировать очень качественную яхту до 60-65 фут  и построить на профессиональной верфи в Голландии за 12-18 месяцев, да это будет дорого, но вы платите деньги не только за красивую картинку, но и за грамотный проект, правильные технологии и качественные материалы. Ну а выбор конечно уже за вами, главное чтобы "ваши желания совпадали с вашими возможностями" (к/ф Кавказская пленница).

Счастливого плавания !