Корпуса бывают разные. Остойчивость и непотопляемость.

 Вопросы по теории остойчивости и гидродинамике казалось уже подробно описаны во всевозможных источниках, но видимо не все понимают суть или не хотят изучать теорию. 

Сегодня очень очень кратко об основах, которые будет полезно знать для общего развития. Не претендуя на истину в первой инстанции и на подробности освещения вопроса, пробежимся по основным понятиям, рассмотрим плюсы и минусы различных корпусов парусных яхт.

Начать надо с предназначения определенного корпуса яхты для конкретных задач или как говорят конструктора "модели использования". Если взять владельцев яхт в размере 35-50фт за 100%, то примерно 95% это яхтсмены прибрежного плавания в летнее время, более того, значительная их часть вообще никуда не выходит. Условно около 3 процентов отправляются в дальние плавания, как правило в пассатных районах и в экваториальной зоне, иногда пересекая океаны при благоприятной погоде. Около 1% постоянно живут на яхтах, но никуда не ходят годами. Только около 1 % владельцев, кто испытывает необходимость ходить в высокие широты, Антарктиду или вокруг известных мысов. Каждой из этих групп естественно нужны разные яхты, для выполнения поставленных целей.

Вернемся к теории, к основным параметрам парусной яхты относятся остойчивость,  плавучесть, водоизмещение, управляемость, ходкость и устойчивость на курсе.  Термин мореходность базируется на этих и других характеристиках яхты и обозначает способность судна совершать плавание при определенных погодных условиях. Надо понимать, что каждое судно спроектировано для своего района плавания и предназначения. Каждый проект яхты это всегда компромисс и баланс между характеристиками. Например яхтам для прибрежных гонок по гандикапу нужен меньше вес и оптимизация по баллу, для океанских гонок уже прибавляется надежность узлов и систем, для массового круизинга объем помещений, большой кокпит и технический комфорт, для дальнобойщиков важно место для запасов и надежные системы.

Но что объединяет все типы парусных яхт, это способность ходить под парусами, если  яхта адекватно не ходит под парусами, это уже не парусная яхта. Можно назвать как угодно, плавдача, моторсейлер, ковчег и т.д., которые тоже имеют свои преимущества, но это не парусная яхта, которую мы обсуждаем здесь.

Остойчивость.

Остойчивость судна состоит из двух составляющих - расположение центра тяжести и центра величины (плавучести). Расстояние между центром тяжести и метацентром называется метацентрической высотой, чем она больше, те больше начальная остойчивость судна. Остойчивость бывает статическая (на ровной воде) и динамическая (на ходу, на волне). Также есть остойчивость поперечная и продольная, которая более актуальна для владельцев катамаранов.

Остойчивость состоит из двух частей, остойчивость веса (weight stability) и остойчивость формы (form stability). Первая создается весом киля и корпуса, вторая восстанавливающим моментом накрененного корпуса. Классические узкие яхты, имеют в основном остойчивость от балласта, а современные широкие яхты имеют значительную часть остойчивости от формы корпуса. Кроме того современные корпуса имею более заглубленный балласт в виде бульбы. 

Это в комплексе позволяет современным корпусам иметь меньше водоизмещение, нести больше парусов, иметь больше скорость и возможность разместить больше запасов. У катамаранов другое, большое плечо восстанавливающего момента, по сравнению с моно, Катамараны легче, имеют большую остойчивость, меньше осадка, большие площади, хорошая скорость,  но имеют и свои минусы - период качки, лавировка (если нет швертов), расходы в марине.

График ниже показывает зависимость восстанавливающего момента момента от угла крена для обычного моно и катамарана. Как видно из графика, энергии надо в полтора раза больше, чтобы перевернуть катамаран на 90 градусов, но если катамаран просто перевернется, моно будет восстанавливаться даже при угле 130 градусов.

Водоизмещение

Под условно "легкой" лодкой понимаем на самом деле яхту среднего водоизмещения, так как по настоящему легкие лодки типа ULDB не интересны для массового пользователя-владельца. Если посмотреть с практической точки зрения, то условно легкие лодки дешевле в постройке и эксплуатации, меньше площадь корпуса, меньше якорь, более легкий такелаж и паруса и т.д. Легкие лодки имеют возможность иметь меньше топлива, меньше двигатель и больше запасов (если это заложено в проекте), а также имеют лучше ходовые качества в более широком диапазоне ветров, в первую очередь по слабым ветрам, когда тяжелые лодки уже моторят, легкие лодки идут под парусами. 

Для круизной яхты важно не само водоизмещение, а грузоподъемность и расположение запасов по яхте. Идеально это конечно концентрация всех весов в районе миделя и максимально ниже ватерлинии, но этого редко можно достичь на практике. Концентрация весов запасов ближе к миделю делает килевую качку меньше и улучшает ходовые качества на волне. 

Многие думают, что увеличивая водоизмещение, например для стальной яхты, увеличивается остойчивость, это не совсем так. Важно расположение центра тяжести корпуса и его соотношение к центру плавучести, а это все та-же метацентрическая высота. Делая лодку тяжелой, за счет материала или конструктивных усилений, все это распределяется в основном выше ватерлинии и соответственно и центра плавучести, т.е. остойчивость может быть меньше, чем на пластиковых лодках близкого размера.

Тяжелые лодки конечно испытывают меньшие ускорения на волне и более комфортны на ходу, чем более легкие корпуса, но за это приходится платить, моторить на дизеле, когда более легкие яхты еще идут под парусами, т.е. опять все зависит от типа и района плавания.

В дополнении, не надо забывать и об угле заливания, это величина крена, когда вода начинает поступать внутрь лодки через отверстия (люки, иллюминаторы, вентиляцию и т.д.)

Плавучесть

Формально это способность держаться на плаву при определенной нагрузке при расчетной ватерлинии. Но в практике малых судов больше интересует аварийная плавучесть, другими словами, когда яхта утонет и сколько для этого надо времени. Обеспечить полную непотопляемость в приницпе можно и были даже попытки это сделать на серийных яхтах Etap и трейлерных моторсейлерах MacGregor. 

Но здесь надо иметь в виду и нюансы, а именно, что при частичном затоплении яхты практически выходят из строя почти все системы, значительно уменьшается надводный борт, а главное появляется свободная водяная поверхность, которая очень существенно уменьшает остойчивость судна. Особенно это касается моно, так как катамаран имеет больший объем, относительно легче и имеет большую остойчивость формы.

В практическом плане лучше обсуждать не вопрос плавучести, как таковой, а вопрос борьбы за живучесть, что предполагает несколько водонепроницаемых переборок, изолированные технические системы, мощные аварийные помпы, а не "игрушки с ручкой", которые стоят на серийных лодках. Это особенно важно для тех самых 1% владельцев, кто планирует идти в высокие широты. Самое страшное после пожара на яхте, это плавающий притопленный контейнер, которых в этом году высыпалось с контейнеровозов очень много. Этот подход я реализовал на нескольких моих проектах - ATOA-64, Soler-35 и сейчас в новом проекте Soler-39 Expedition.

Ходкость, управляемость и устойчивость на курсе.

Разные по сути корпуса имеют естественно и разные характеристики. Можно очень условно разделить корпуса на группы:

- классические корпуса (примерно до 80-х годов): Y-образный корпус, узкие по миделю, с узкой кормой, длинный киль с рулем, большая осадка, большие кормовой и носовой свес, короткая ватерлиния, средняя полнота форштевня.

- переходные (примерно до 10-х годов): U-образный корпус, довольно широкий по миделю и в корме, максимальная длинна ватерлинии, умеренный наклон узкого форштевня, плавниковый киль, большой руль максимально сдвинутый к корме.

- современные: очень широкие корпуса, два пера руля, узкие кили  с бульбой, средние или полные носовые обводы, водоизмещение среднее, как у переходных, но легче классических.

В чем отличие корпусов новых от классических ? Переходные не будем рассматривать, так как их много вариаций и поэтому нет единой формы для обсуждения. Материал корпуса тоже отбросим в сторону, хотя понятно что стальные корпуса самые тяжелые, потом идет стеклопластик, алюминий и композит. 

Для примера возьмем условную яхту 40 фт (12 метров), чтобы оперировать сходными цифрами. Сразу надо напомнить, что "структура" остойчивости классических и современных корпусов разная, у современных корпусов значительную часть составляет остойчивость формы, т.е. традиционный классический подход о весе балласта 50% от общего водоизмещения здесь не работает. 

Классический Island Packet 40: D=10.3 t, S/D=8.2 m2/t, переходный Beneteau 393 D=7.8 t, S/D=9.7 m2/t, современный Bavaria C42 D=9.7 t, S/D=10,4 m2/t. По этим данным явно видно, что современный корпус легче классического и более нагружен парусами.

Вот интересный график, хотя он от катамарана, но отражает общие зависимости и для моно.

Смоченная поверхность корпуса имеет практически прямую зависимость от изменения водоизмещения, а смоченная поверхность это и сопротивление обтекания и волновое сопротивление. Увеличение сопротивления корпуса при одинаковой площади парусов (мощности двигателя) ведет к уменьшению скорости в водоизмещающем режиме. Особо явно это проявляется на небольших скоростях 2-4 узла, т.е. при слабых ветрах. Тяжелые корпуса плохо ходят при слабых ветрах и им нужна дополнительная мощность двигателя(парусов), по сравнению с более легкими корпусами. 

На эскизе показано изменения корпусов по миделю, большая ширина и появление скул позволило не только увеличить внутренний объем и увеличить остойчивость формы, но и помогло сделать более пологие батоксы в кормовой части, что еще улучшило обтекание корпуса и уменьшило волновое сопротивление.

Креновые ватерлинии корпусов тоже существенно видоизменились, на этой картинке показан переходный корпус с деформированными по форме креновыми ватерлиниями, что не только тормозит, но и вызывает дополнительный приводящий момент и как результат брочинг.

На следующем эскизе современный корпус с симметричными креновыми ватерлиниями, т.е. форма ватерлинии практически не меняется с креном, вернее меняется, но остается симметричной относительно осевой линии. Корпус не имеет дополнительных приводящих сил и продольного смещение центра бокового сопротивления ЦБС, поэтому яхта очень устойчива на курсе, не требует большой перекладки руля и сами рули могут быть меньше, так как с учетом что их два, один выходит из воды, а второй работает максимально эффективно перпендикулярно поверхности воды. Это не теория, лично протестировано на проектах А-38 и Soler-35, лодки идеально управлялись, имели хорошую скорость и понятия  привода и брочинга практически не знали.

Однако здесь возникают и минусы, осевая линия креновой ватерлинии составляет около 3-5 градусов с линией ДП корпуса, на котором расположен киль, получается что плоскость киля находится под углом к линии ДП, это не только тормозит, но и создает сиду, которая тянет под ветер. По этой причине современные лодки с широкими корпусами не любят большого крена и должны рифится раньше, при этом они все равно будут идти быстрее классических лодок с полными парусами и большим креном.

Для компенсации этого эффекта на проекте А-38 был применен подъемный киль, который еще поворачивался в вертикальной плоскости и становился в линию с осью креновой ватерлинии, конструкция была разработана петербургским конструктором А.Тараненко. 

На гладкой воде результата были отличные, лодка шла в лавировку под 30 градусов к истинному ветру со скоростью 7 узлов при ветре 10 узлов, но при большой волне эффективность значительно уменьшалась.

Еще один момент который надо помнить при разговоре о корпусах и движении парусной яхты, это формула Фруда Fr = v / √gL, безразмерное число, которое показывает зависимость волнообразования от длины действующей ватерлинии и скорости движения.

Практически все круизные яхты спроектированы для движения в водоизмещающем режиме, так как для глиссирования надо три составляющие: форма корпуса с плоской и широкой в кормой, небольшой вес и высокая нагруженность парусами, более 12 м2/тонну. 

Такими параметрами обычные круизные яхты не обладают, несмотря на внешнюю схожесть с океанскими гоночными яхтами и главный тормоз здесь это водоизмещение и как следствие низкая вооруженность парусами. 

При этом надо учитывать что любые сравнительные коэффициенты (S/D, D/L) могут использоваться только для приблизительного сравнения соизмеримых по размеру корпусов. Ключевого параметра водоизмещения никто точно не знает, особенно на круизных яхта дальнобойщиков, это можно определить только динамометром на кране при подъеме лодки. Кстати почти любой кран или подъемник имеет свой динамометр, не поленитесь поинтересоваться весом вашей яхты и вероятно вы будете неприятно удивлены услышанной цифрой, по сравнению с техническим данными. 

Причины собственно три, строители публикуют конструкторские данные, а не вес реального корпуса, который может быть больше. Водоизмещение порожнем (Light displacement) не включает не только запасы топлива и воды, но и некоторое оборудование, которое установлено в стандарте. Владельцы сильно загружают лодку оборудованием, инструментом, запчастями и т.д., как правило это не контролируется и может достигать тонны и более. 

Поэтому не удивительно, когда 40фт яхта по документам весит 8 тонн, а по факту все 10+ тонн, а поэтом жалуются друзьям что лодка "не едет". Особенно это важно на катамаранах, которые более чувствительны к перегрузу, чем обычные моно корпуса.

Есть сторонники разных взглядов на тип круизной парусной яхты. Одни хотят ходить с адекватной скоростью в основном под парусами и использовать мотор только для захода в порт. Другие ставят паруса только при ветре более 10-12 узлов и в остальное время моторят или ждут погоду. Но если взять за основу, что большинство современных круизеров пришли в парус в уже зрелом возрасте и не имеют за спиной полноценного парусного образования, то естественно второй взгляд более распространен и соответствует их модели плавания, соответственно вопросы эффективного плавания под парусами их волнуют в меньшей степени, чем дополнительная солнечная панель или установка опреснителя.

Счастливого плавания !