«На дистанции четверка первачей.
Кажный думает, что он-то побойчей.
Кажный думает, что меньше всех устал.
Кажный хочет на высокий пьедестал…»

Владимир Высоцкий

Текст Павла Игнатьева

Можно осуждать неуклюжий внешний вид этих судов или, наоборот, восхищаться заложенными в них техническими идеями (а также их реализацией), но очевидно одно: эти яхты – новый виток в развитии парусного спорта. Ну, а то, что они мало похожи на привычные нам белокрылые красавицы, так и болиды Формулы-1 имеют немного общего с теми машинами, на которых мы передвигаемся по улицам. Как известно из истории развития техники, узкая специализация изделия (практически любого) всегда влечет за собой появление неожиданных решений, далеких от стереотипов. В любом случае, конструкция новых яхт заслуживает особого внимания.

Как известно, лодки, на которых начато проведение соревнований, это уже вторая итерация гоночных судов, создаваемых в рамках «кубкового» класса АС 75. Первые яхты послужили своего рода «точильным камнем», с помощью которого доводились финальные конструкции. И, надо сказать, корпуса яхт изменились существенно.

Корпуса и паруса

Лодки первого поколения, появившиеся около года назад, различались довольно сильно, что особенно хорошо заметно на сечениях корпусов по миделю (рис. 1). Мы вкратце описывали особенности этих корпусов в № 124. Напомним…

Тогда итальянцы и новозеландцы предпочли корпуса с острым носом и ярко выраженной килеватостью (итальянцы даже имели на «брюхе» нечто вроде длинной бульбообразной наделки), тогда как американцы и англичане сделали более плоские и широкие корпуса, близкие по обводам к скоу и лишенные каких-либо объемных наделок на днище.

Надо сказать, что для крылатых яхт обводы корпуса, в целом, имеют вторичное значение, но все же очень важны как при водоизмещающем движении, влияя на общее сопротивление, так и при выходе на крыло, влияя на его стабильность. Большая килеватость первых корпусов Prada и Te Aihe означала меньшую гидродинамическую подъемную силу на малых скоростях, но бОльшую стабильность движения при выходе на крыло. При возможных «просадках» яхт в процессе крыльевого движения килеватые корпуса оказывали заметно меньшее сопротивление, чем плоские и широкие корпуса Ineos и American Magic.

Кроме того, подобная форма (с гребнем, бульбом или скегом – называйте, как угодно) подводной части довольно близка к принципу «гидростатически разгруженного» корпуса профессора Ю.И. Лобынцева. Суть этой идеи, впервые высказанной в нашей стране более 20 лет назад (патенты РФ №№ 2132795 и 2148518) и реализованной на практике (например, катер «Мальстрём») в начале прошлого десятилетия, заключается в том, что хорошо обтекаемое тело, расположенное под основным корпусом, способствует быстрому выходу в режим струйного обтекания, характерного для режима глиссирования, хотя судно в целом остается водоизмещающим.

Этот тип корпуса в нашей стране назвали «полуглиссером», его основные особенности – идеально ровное «безгорбовое» движение в водоизмещающем режиме и крайне низкое волнообразование. То есть как раз то, что нужно для уверенного движения на крыльях! Или для перехода в крыльевой режим – разгоняясь, лодка не меняет ходовой дифферент и не создает обширную волновую систему, мешающую работе крыльев. Однако улучшение гидродинамики при выходе на крыло – не единственная задача этих наделок. Есть и еще одна, но об этом после.

Надо сказать, что «плоскодонщики» быстро оценили эффект применения таких обводов: все корпуса яхт АС 75 второго поколения теперь получили какую-то обтекаемую продольную наделку в ДП на подводной части корпуса, хотя каждый синдикат по-своему выбрал методы решения задачи. (Автор этих слов вовсе не хочет сказать, что «Россия – родина слонов», а лишь напоминает, что первые зарубежные публикации о проекте Юрия Лобынцева относятся к началу нынешнего тысячелетия, например, немецкий журнал Skipper № 8 за 2004 год, статья Verdraengender Gleiter.)

Ближе всех к оригинальной идее профессора Лобынцева подошли британцы. Они выбрали очень массивный скег прямоугольного сечения, протянувшийся по всей длине корпуса, но при этом с иными очертаниями его продольного профиля с S-образными формами в носу (оригинальная отечественная идея заключается в сегментном профиле, набранном из дуг окружности). Еще одна интересная особенность британской лодки – наличие в кормовой части корпуса как бы врезанного в нее горизонтального диска. Вероятно, его назначение – создание дополнительной глиссирующей поверхности при разгоне и выходе на крыло.

Бенджамин Мюэл, главный конструктор британской команды Ineos Team: «Наша вторая лодка значительно отличается от первой. Увидев первые корпуса других команд, мы пересмотрели наши идеи, по крайней мере, с точки зрения корпуса, добавив развитый скег под ним».

А вот итальянцы на второй итерации своей Luna Rossa почти не изменили форму корпуса по сравнению с первой лодкой.

Мартин Фишер, координатор проекта Luna Rossa: «Между спуском на воду первой лодки и окончательным выбором конструкции второй у нас было очень мало времени. На самом деле мы не извлекли из испытаний первой яхты большого опыта. Но поняли, где можем набрать или убавить вес. Что касается формы корпуса, мы почти ничего не меняли, ибо были убеждены, что это правильный путь. Думаю, что мы были правы, потому что американцы и англичане последовали нашему примеру».

Обе «конкурирующие фирмы» выбрали менее радикальные решения: у американской лодки Patriot гребень по длине не превышает трети корпуса. У новозеландцев бульб длиннее, но и он идет не по всей длине корпуса, заостряясь в носу и почти исчезая. Резон? Уменьшение длины бульба в носовой части уменьшает волнообразование в районе носовой скулы, то есть именно в той части, откуда идет волна, наиболее мешающая работе крыльев, расположенных у миделя. Отметим, что новозеландская лодка имеет – насколько можно судить по фото – наибольшую килеватость этого бульба, хотя Luna Rossa II отстает несильно.

Конечно, дополнительный объем в подводной части – это, как минимум, дополнительная площадь смоченной поверхности и увеличенное индуктивное сопротивление. Это минус. Плюс заключается в отсутствии горба сопротивления и уменьшенном волнообразовании. Достоинства  таких обводов при движении в переходном режиме очевидны. А дальше уже всю нагрузку на себя принимают крылья.

Есть и другая возможная функция этих гребней, и она уже лежит в области аэродинамики. Корпуса яхт АС 75 при движении на крыльях полностью выходят из воды, при этом между ними и подстилающей поверхностью возникает определенный просвет. В полном соответствии с законами аэродинамики поток воздуха, проходя между корпусом и поверхностью воды, ускоряется, при этом на подветренной стороне корпуса возникает сильное завихрение (ведь речь идет о скоростях порядка 30-40 узлов), резко снижающее как тягу паруса, так и аэродинамическое качество всей конструкции.

Для предотвращения подобных явлений необходимо как можно сильнее уменьшить зазор между корпусом и поверхностью воды – примерно так на некоторых дорожных автомобилях устанавливают спойлеры под передним бампером. Уменьшение «дорожного просвета» за счет длинного скега увеличивает поток воздуха (и его скорость), проходящий над палубой яхты, то есть увеличивает тягу паруса.

Однако не будем забывать, что теперь из-за гребня на днище яхты столкнутся с новой проблемой – усиленным завихрением в районе наветренного ватервейса, что потребует делать корпус максимально обтекаемым сверху (рис. 6 а и б).

Бенджамин Мюэл: «Цель применения скега состоит еще и в том, чтобы закрыть пространство под лодкой так, чтобы он действовал как пластина и ограничивал поток воздуха под корпусом. Мы решили применить квадратную форму сечения, вертикальные стороны бульба предлагали больше объема, чем другие варианты. Luna Rossa и остальные приняли гораздо более округлую форму. Выбор зависит от того, как вы видите отрыв корпуса от воды и последующее его приводнение. Здесь пока нет объективных данных, многое решает субъективный взгляд».

Все команды решили этот вопрос по-своему. Наиболее сбалансированным, пожалуй, выглядит итальянский корпус, а вот британский, напротив, ни на что не похож и аналогов, судя по всему, не имеет.

Мартин Фишер: «Есть разница в объеме бульба. У американцев, кажется, очень мало объема, у англичан заметно больше, а мы с новозеландцами где-то посередине. Команда Новой Зеландии немного отличается в том, что, как и британцы, они полностью отделили этот скег от остальной части лодки. Мы сделали это менее радикальным способом. Ведь если у вас больший объем бульба, для взлета требуется меньшая подъемная сила, тогда как при меньшем объеме фаза ускорения на низкой скорости немного сложнее. Но преимущество меньшего объема заключается в том, что, когда вы касаетесь воды при приземлении, вы не так сильно увеличиваете дополнительную смоченную поверхность. Поэтому вы можете позволить себе больше рисковать, летя ниже. Ведь чем ниже вы летите, тем быстрее вы идете. В идеале корпус должен практически касаться воды».

Про паруса кубковых яхт пока что мало можно сказать что-то определенное. Но, кажется, здесь есть некоторые секретные находки.

Мартин Фишер: «Да, здесь мы тоже видим различия: у британцев и американцев есть гик, который хорошо виден над палубой, а наш грот спускается прямо на палубу, как и у киви. Внизу у нас расположена конструкция, которая воспринимает натяжение нижней шкаторины. Это уже не настоящий гик. Я не могу рассказать все подробности о том, что это такое и как устроено. Но эта конструкция позволяет придать нужную форму профиля в нижней части грота и усилить эффект концевой шайбы, которой в данном случае является палуба. Я думаю, у нас есть преимущество перед другими командами, потому что с помощью обычного гика вы не можете исключить перетекание воздуха над палубой от нагнетающей поверхности грота к засасывающей».

Крылья и рули

Здесь у конструкторов тоже был довольно большой простор для полета фантазии: напомним, что по правилам одинаковым для всех команд компонентом является лишь «рука» с гидравлическими механизмами привода (рис. 2). Конфигурация собственно крыльев, то есть несущих поверхностей, и нижней части «руки» оставлена на выбор команды (рис. 3). И здесь можно увидеть большую разницу.

Бенджамин Мюэл: «Если вы говорите о крыльях, которые используются в настоящее время, то мы выбрали вариант без тела вращения (в районе примыкания крыльев к стойке), но зато с большой несущей поверхностью. Luna Rossa предпочла меньшую поверхность крыльев, но с маленьким обтекаемым бульбом, вынесенным сильно вперед. American Magic имеет большой бульб и меньшую несущую поверхность, в то время как Team New Zealand после долгих испытаний с самыми большими крыльями во флоте теперь располагает сравнительно небольшими по площади крыльями с бульбами. Это выбор конструктора – дело в том, что крылья должны иметь определенную массу. Если у вас небольшая масса собственно крыльев, вы должны добавить вес в другое место, чтобы достичь уровня, установленного правилами. В этом случае разумно сосредоточить эту массу в виде обтекаемого бульба в районе пересечения крыльев и стойки».

Отметим, однако, что смысл применения обтекаемого бульба (или «луковицы», как его называют за рубежом) заключается еще и в гидродинамике. В районе пересечения горизонтальных (или близких к горизонтальным) несущих поверхностей с вертикальной стойкой возникает поджатие потока с неблагоприятной интерференцией. Именно поэтому каплеобразное тело вращения, «расшивающее» это в буквальном смысле слова узкое место можно увидеть, например, у самолетов с Т-образным оперением – скажем, у Ту-154 или Ил-76.

Но не все конструкторы решили пойти этим классическим путем. Например, на Luna Rossa II отказались от этого тела вращения, понадеявшись на два других решения. Крылья итальянцев не горизонтальны, они имеют отчетливую W-образную форму («крыло чайки»), которая за счет большого угла между стойкой и поверхностями крыльев имеет заметно меньшее поджатие потока в критической зоне. Кроме того, у крыла такой конфигурации выше подъемная сила. Второй ход итальянцев заключается в том, что крылья заметно смещены вперед относительно стойки, что еще сильнее уменьшает интерференцию. Такая же W-образная форма крыла хорошо просматривается и на Britannia II.

И еще момент. Есть в аэро- и гидродинамике такое неприятное явление, как флаттер: самовозбуждающиеся незатухающие колебания несущих поверхностей и оперения. С этим явлением яхтсмены первые столкнулись всерьез примерно 15-20 лет назад, тогда подобные колебания плавниковых килей наблюдались и у яхт класса Open 60, и у отечественных Open 800. Да и известное «гудение» рулей на скоростных швертботах и катамаранах имеет схожие причины.

В этой ситуации размещение несущей поверхности впереди стойки резко снижает вероятность флаттера – впервые это обнаружил авиаконструктор Олег Антонов, сместив вертикальные кили Ан-22 вперед относительно оси горизонтального оперения. Кстати, это решение одновременно позволяет и отказаться частично или полностью от описанной выше «луковицы». Еще один плюс такого варианта: управляемые закрылки на задней кромке подводного крыла вплотную прилегают к несущей стойке, которая в этом случае работает как шайба, повышая эффективность работы закрылков.

Олег Антонов (из воспоминаний): «Как-то раз, проснувшись ночью, я стал по привычке думать о главном, о том, что больше всего заботило и беспокоило. Если половинки «шайбы» оперения, размещенные на горизонтальном оперении, вызывают своей массой флаттер, то надо расположить «шайбы» так, чтобы их масса из отрицательного фактора стала положительным… Значит, надо сильно выдвинуть их и разместить впереди оси жесткости горизонтального оперения».

Внимательно изучив крылья всех команд, мы видим, что все претенденты на Кубок выбрали схему с W-образными несущими поверхностями. При этом направленные вверх законцовки (пресловутые «винглеты») уменьшают перетекание воды между нагнетающей и засасывающей поверхностями крыла, снижая индуктивное сопротивление.

А вот защитник Кубка, то есть команда Новой Зеландии, пошла своим путем. Во-первых, они выбрали наихудшее, по крайней мере, на первый взгляд, расположение крыльев – почти строго горизонтальное, то есть в целом Т-образное, вдобавок еще и смещенное назад. Как следствие, им пришлось применить довольно большую «луковицу», а это лишняя смоченная поверхность. Кроме того, у W-образных крыльев восстанавливающий момент растет с ростом крена, T-образные такого явления не дают (если опущены до горизонтального положения). Еще один минус смещения крыльев назад относительно стойки – возросший риск возникновения флаттера. Но есть и большой плюс – управляемый закрылок на задней кромке идет практически по всему размаху крыла, что, безусловно, заметно повышает его эффективность.

Новозеландския крылья, кажется, имеют наименьшую площадь среди крыльев всех четырех команд. Это означает уменьшенную подъемную силу, но и уменьшенное сопротивление движению. Правда, поскольку новозеландские крылья имеют тот же размах, что и у остальных, яхт, получается, что удлинение крыла у Te Rehutai заметно выше. Это выгодно, но влечет за собой повышенный риск срыва потока. Вероятно, закрылками новозеландцам придется работать активнее, чем остальным командам. Зато у них очень сильно заужена несущая стойка в нижней части (это допускается Правилами Кубка). С одной стороны, это означает снижение ее сопротивления, с другой – увеличивает риск возникновения как прочностных проблем, так и упругих колебаний (все того же флаттера).

Мартин Фишер: «Площадь крыльев, в основном, определяется скоростью, на которой вы хотите взлететь. Если вы хотите оторваться от воды на низкой скорости, вам нужна большая площадь крыла, но после взлета это будет означать дополнительную смоченную поверхность. Это минус, но есть и достоинство: это даст более высокий «запас прочности» при выполнении маневров. С небольшим крылом ваша смоченная поверхность уменьшается, но, если вы потерпите неудачу во время маневра, вам, очевидно, придется идти на новый взлет, который может дорого обойтись в гонке. Например, идя против ветра, практически невозможно взлететь. Вам нужно будет повернуть почти на 90 градусов, а потом вернуться на прежний курс. Так что это большая потеря с точки зрения дистанции при неудачном маневре. Завершая обсуждение различий между крыльями, могу добавить, что команда Новой Зеландии – единственная, которая выбрала Т-образную форму. W-образного крыла, как у других, у них нет. Но должен подчеркнуть, что командам есть еще над чем работать в этой области: всего каждая из команд может построить и испытать шесть крыльев, и уже сейчас делаются новые».

О рулях, к сожалению, тоже пока известно мало подробностей, а имеющиеся фотографии не дают возможности оценить все особенности их конфигураций. Здесь тоже многое поставлено на карту. Правила определяют максимальный размер пера руля, но уже ясно, что все команды пошли по пути уменьшения площади пера, чтобы уменьшить его сопротивление. Однако и здесь возникает проблема прочности: меньше сечение руля – меньше прочность, а ведь эта конструкция подвергается большим нагрузкам. То же самое можно сказать и про крылья на пере руля: чем они больше, тем больше сопротивление. Однако чересчур маленькие крылья могут вызывать кавитацию, так что и здесь приходится идти на разумный компромисс.

Мартин Фишер: «Создание руля – очень непростая задача. Думаю, что разница в длине руля у разных команд составляет от 20 до 30 сантиметров. Самый длинный у американцев, самый короткий у киви, а у нас с британцами нечто среднее. Но и здесь мы еще не все видели, ведь каждая из команд имеет право сделать по четыре руля, а пока никто не показал больше двух».

Как можно видеть, конфигурации лодок в деталях отличаются друг от друга, порой весьма заметно. Какая из них окажется выгоднее, мы скоро узнаем.

«Ведь судья не зафиксирует ничьей…»

Опубликовано в Yacht Russia №1-2 (132), 2021 г.