Постройка Яхт - 2
1.2. ПРОЕКТ
После выбора материала и четкого определения назначения судна (для дальних спортивных плаваний, туризма или гонок) заказчиком и конструктором решаются такие вопро-сы, как потребность в спальных местах и санитарных устройствах, тип и мощность механической установки, дальность плавания под мотором, оборудование устройствами для обеспечения безопасности (например спасательные шлюпки), тип парусного вооружения, допустимые уровни шума в каютах, желаемые ходовые качества под парусами и мореходность, уровень комфорта, необходимость установки систем кондиционирования воздуха, опреснителя и других устройств и т. д.
Конструктивные решения должны быть гармонично согласованы между собой. Имеются в виду в основном следующие критерии.
Для катера (моторной лодки): планировка спальных и жилых помещений (по возможности дальше от источников шума, таких как моторы, агрегаты и гребные винты); размещение цистерн (как можно ближе к центру величины по длине -для облегчения дифферентовки при различной наполняемости цистерн); расположение винтов или винта (на возможно большем расстоянии от днища судна и руля - для уменьшения вибрации); применение выпускных газопроводов с глушителями достаточных размеров и забортным выводом по возможности дальше от жилой палубы и жилых помещений; мощность двигателя, обеспечивающая развитие заданной скорости при проектном водоизмещении; мощность генератора, необходимая для питания потребителей электроэнергии.
Для яхты: способность к несению парусов, обусловливаемая остойчивостью и массой балласта; положение центра парусности по высоте и длине относительно центра бокового сопротивления подводной части судна; ограничение осадки; необходимое оборудование палубы; планировка внутренних помещений; изменение положения центра величины при крене; предельные значения в обмере по правилам IOR; обеспечение относительной безопасности от опрокидывания.
Для парусно-моторного судна: в проекте такого судна необходимо учитывать в равной мере основные критерии как парусного, так и моторного судов. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что сегодня имеется сравнительно небольшое число парусно-моторных судов, удовлетворяющих современным требованиям.
Наряду с названными специальными критериями при проектировании отдельных типов яхт учитывают общие критерии, важнейшие из которых следующие: начальная остойчивость я предельная остойчивость при крене 90°; сопротивление воды движению судна (обычно рассматривают три составляющих его: сопротивление трения, сопротивление формы и волновое); Удельная мощность (отношение мощности на гребном валу к водоизмещению судна); соответствие положения центра тяжести положению центра величины по длине корпуса; площадь руля; Размеры связей набора; учет предписаний по правилам классификационных обществ.
После того как все указанные критерии учтены по степени их важности и приняты решения об их реализации в проекте, можно приступать к разработке генерального плана проекта. При этом необходимо оценить распределение объемного водоизмещения по отношению к распределению массы и выполнить эскизную проработку теоретического чертежа судна. Число последовательных приближений зависит от опыта конструктора - начинающему конструктору приходится перерабатывать проект много раз.
1.2.1. Расчет массы и положения центра тяжести судна
Расчет массы и положения центра тяжести судна - кропотливая работа, которая могла бы привести к нужным результатам уже при первом расчете, если бы конструктор знал точное значение массы всех деталей корпуса и оборудования. При этом расчете ведут отсчет плеч-расстояний центров тяжести отдельных элементов конструкции или дета-лей от основной линии (ОЛ) и мидель-шпангоута. Значения плеч вписывают в одну из колонок расчетной таблицы. В другой колонке проставляют массы соответствующих элементов, в третьей - моменты, полученные умножением плеча на массу ;, данного элемента. Сумма моментов, разделенная на сумму всех учтенных масс, дает расстояние центра тяжести судна от I соответствующей плоскости (по высоте - от ОЛ; по длине- от миделя).
При эскизной проработке проекта для небольших парусных яхт иногда выполняют еще расчет на безопасность от опрокидывания при крене 90°.
При первом расчете массы и положения центра тяжести не-избежны некоторые допущения. В то время как размеры дета-лей корпуса можно установить из сравнительных данных по другим подобным проектам, для яхт со значительным насыще-нием механическим и электротехническим оборудованием часто трудно определить массу соответствующего оборудования. Это относится прежде всего к системам трубопроводов и кабелей, масса которых на больших яхтах может составлять несколько тонн. Кроме того, при предварительном расчете отсутствуют точные данные о массе отдельных элементов устройств и обо-рудования. Конструктор обычно руководствуется сравнительными данными по отдельным группам массовой нагрузки. Это, естественно, не исключает повторного детального расчета массы элементов устройств и оборудования, даже если уже выполнены расчеты прочности и остойчивости и проведены буксировочные испытание модели с последующей корректировкой обводов корпуса. При отсутствии достаточного конструкторского опыта нередко приходится проводить больше двух расчетов массы и положения центра тяжести.
1.2.2. Разработка теоретического чертежа
и расчет водоизмещения
Следующим этапом проектирования яхты является разработка теоретического чертежа и расчет водоизмещения.
теоретического чертежа целесообразно выбрать таким, чтобы впоследствии его можно было использовать также для проектирования общего расположения яхты. Основу чертежа составляет сетка из линий теоретических шпангоутов, ватерлиний, батоксов и рыбин, которые наносят на прозрачную пленку с обратной стороны. Это позволяет в дальнейшем корректировать линии, пользуясь резинкой, без нарушения линий сетки, проведенных с большой точностью.
Сначала вычерчивают контуры бокового профиля и палубы, а также обвод мидель-шпангоута, затем - обводы других теоретических шпангоутов, рыбин и ватерлиний. При проектировании обводов шпангоутов и ватерлиний конструктор преследует цель обеспечения самого благоприятного обтекания корпуса, необходимой остойчивости формы и эстетического внешнего вида судна. Абсолютное выполнение этих условий выражается в точном совпадении предварительно определенного центра тяжести с центром величины подводного объема корпуса по длине, а также в достижении такого водоизмещения, которое было получено из расчета массовой нагрузки.
Распределение водоизмещения по длине является критерием, которому при проектировании быстроходных судов придают все большее значение. Обводы парусных яхт, кроме того, должны быть рассчитаны на плавание судна с креном от 0 до 30°. Необходимо, чтобы распределение водоизмещения по длине яхты при изменении крена изменялось как можно меньше. Это старое правило многие конструкторы сегодня забыли.
В то время как едва ли существует сомнение в том, что корпус моторного судна, особенно судна, рассчитанного на глиссирование, должен иметь минимальное водоизмещение, какое только допускают прочность материала и масса устройств, о корпусе парусной яхты этого сказать нельзя. Во-первых, здесь доля балласта является фактором, определяющим способность судна к несению парусов, и, во-вторых, ветер часто бывает неравномерным по своей скорости. Яхта с легким водоизмещением при шквале быстро набирает скорость, а после порыва ветра так же быстро теряет ее. Несмотря на успех яхт с малым водоизмещением, особенно при полном курсе (под спинакером), оказалось, что слишком легкое судно на волне в крутой бейдевинд не идет, а «топчется» на месте. Это сопровождается неприятной качкой. Для получения хороших всесторонних качеств яхты рационально, чтобы корпус и оснастка были легкими, как только допускают требования прочности, а общее водоизмещение было выдержано в разумных пределах.
На современных яхтах не применяют больше длинного киля и S-образных шпангоутов, поэтому обводы плавникового балластного киля чаще всего проектируют отдельно от корпуса, подготавливая самостоятельный теоретический чертеж. На об-Шем теоретическом чертеже судна показывают часто только контур киля с основными поперечными разрезами. В послед. нее время для килей используются обтекаемые профили, испытанные в аэродинамической трубе или опытовом бассейне, поэтому конструктору обычно известны центры величины их объема и центры тяжести. При расчете водоизмещения и центра величины судна объемы плавников киля и рулей, как правило, рассчитывают отдельно и наносят на строевую по шпангоутам дополнительно.
Строевая по шпангоутам при нормальном и накрененном положении быстроходных водоизмещающих парусных яхт стала наряду с характерными очертаниями кормовых ветвей батоксов важным критерием при проектировании обводов. Она определяет эффективную длину корпуса по ватерлинии, которая имеет мало общего с теоретической, или конструктивной, длиной по ватерлинии (КВЛ). В принципе конструктор стремится распределить водоизмещение как можно ближе к окончанию ватерлинии в носу и корме. У моторного судна эта тенденция выражается в появлении бульбовидного носа и такой же кормы. У парусной яхты применение носового бульба невозможно из-за плохого поведения яхты на волне, так как при килевой качке он создает повышенное сопротивление. Компромисс был найден в применении относительно полных сечений по носовым шпангоутам. В кормовой части, наоборот, целесообразна концентрация водоизмещения в корпусе яхты, так как здесь несложно обеспечить плавный сток воды. Некоторые конструкторы используют даже перо руля, как тело, имеющее достаточно большое водоизмещение, между тем как существуют обводы корпуса, которые просты и несмотря на это эффективны с точки зрения обмера.
Расчет водоизмещения и центра величины выполняют по правилу Симпсона, вычисляя площади теоретических шпангоутов. Для этой же цели используют планиметр, с помощью которого находят площади шпангоутов и наносят их на строевую по шпангоутам. Обкатав строевую планиметром, определяют водоизмещение. Пользуясь правилом Симпсона, можно быстро найти положение центра величины по длине. Довольно точно это можно сделать, уравновешивая строевую по шпангоутам, вырезанную из бумаги, на острие ножа. Проектирование линий теоретического чертежа с согласованием точек пересечения ватерлиний, рыбин и шпангоутов на всех проекциях, а также получение нужного значения водоизмещения и положения центра величины требует от конструктора терпения, сноровки и опыта.
1.2.3. Прочность и остойчивость
Если конструктор при разработке конструкции корпуса не может использовать данные о размерах связей набора
и прочности подобных судов, он должен или детально рассчитать прочность корпуса, или обратиться к предписаниям классификационных обществ, таких, как Германский Ллойд, Английский Ллойд и т. п. Классификационные общества получают почти все сведения о необходимых размерах деталей набора из опыта эксплуатации построенных судов. Однако пользоваться предписаниями классификационного общества целесообразно, когда речь идет о типовых судах. Если же требуется спроектировать чрезвычайно легкое и быстроходное судно, то конструктору лучше обратиться к расчетам прочности.
Выполняют расчеты общей продольной прочности корпуса, местной прочности и проверку на скручивание. Для небольших яхт расчет общей продольной прочности, как правило, не требуется, так как соотношение высоты и длины современных корпусов относительно мало. Даже для больших яхт часто отказываются от выполнения этого расчета из-за его трудоемкости (в связи с необходимостью учета динамики волнения). При этом кривую массовой нагрузки, выведенную из распределения массы корпуса и оборудования судна, сопоставляют с предполагаемым распределением сил плавучести для нескольких случаев в зависимости от того, где находится гребень и подошва волны относительно миделя. При упрощенном методе вершины волны принимают за опорные точки на носовом и кормовом перпендикулярах в местах их пересечения с КВЛ. Возникающее при этом напряжение определяют в явно опасном сечении, в большинстве случаев в середине судна, и оценивают соответствующим коэффициентом прочности, взятым из опыта постройки предшествующих яхт. Но даже и этот значительно упрощенный метод расчета довольно сложен.
К контрольным расчетам местной прочности относится расчет на сжатие корпуса, как и расчеты действующих напряжений в оснастке, руле и креплении балластного киля. Опытные конструкторы используют данные таблиц Ллойда при проектировании яхт облегченной конструкции, уменьшая указанные там размеры элементов набора на определенный
процент.
Полный расчет руля и сечения баллера весьма трудоемкий, если не используется компьютер. Хорошие исходные данные и в этом, случае могут быть получены из правил Германского Ллойда. Для выбора размеров сечения мачт и штагов можно еще воспользоваться старым американским методом расчета, в основу которого полагаются данные об остойчивости яхты при крене 30°.
К расчету местной прочности относится определение размеров крепления балластного киля. У некоторых гоночных яхт с узкими и глубокими килями при больших скоростях хода, особенно под спинакером, появляются значительные переменные нагрузки. Они возникают вследствие косого натекания потока на киль. Точный расчет этих нагрузок возможен только с помощью компьютера с соответствующей программой, хотя по результатам таких вычислений некоторые конструкторы разработали более простую методику расчета.
До сих пор нет упрощенного метода для расчета сил, скру. чивающих корпус яхты. Киль и руль, с одной стороны, и таке-лаж, с другой, дают довольно значительный скручивающий момент. У яхты, сконструированной по предписаниям классификационного общества, эти нагрузки учитываются в коэффициентах запаса прочности корпуса. У яхт облегченной конструкции такие нагрузки становятся критическими, нередко возникают усталостные явления.
Для правильного определения размеров всех узлов корпуса на стадии выполнения расчетов прочности необходимо принимать во внимание требования по безопасности. Массу спасательных и противопожарных средств нужно учитывать уже при первом расчете массовой нагрузки. Учитывают также массу аварийного рулевого устройства, максимальные размеры кокпита и минимальные размеры сливных шпигатов. Все классификационные общества включили в свои инструкции соответствующие устройства для обеспечения безопасности плавания, которые рекомендуется использовать для мореходных яхт. Особенно это необходимо, если яхта должна получить класс согласно Правилам постройки. Для 90% парусных яхт, которым не присваивается класс и которые строятся без наблюдения Регистра, целесообразно руководствоваться вновь переработанными в 1974 г. Правилами крейсерского отделения Германского парусного союза. В них содержатся международные и национальные директивы, касающиеся минимального снабжения и оборудования для обеспечения безопасности плавания мореходных парусных яхт на основе требований ORC (Международного комитета океанских гонок), а также вытекающие из этих требований дополнительные рекомендации по безопасности.
1.2.4. Расчет остойчивости
Для всех яхт поперечная остойчивость является важным критерием проектирования и одним из основных факторов безопасности плавания. К тому же у парусной яхты остойчивость непосредственно связана с продвижением вперед, так как сила тяги приложена на значительной высоте над уровнем воды, которая в свою очередь оказывает соответствующее сопротивление движению. Способность нести паруса, а отсюда и достижимая скорость зависят в основном от остойчивости яхты, которая противодействует давлению ветра при углах крена до 30°.
Если не принимать во внимание откренивающий эффект экипажа, то начальная остойчивость яхты обеспечивается в
основном ее шириной или, иначе говоря - остойчивостью фор-мы корпуса. Способность к несению парусов швертботов и многокорпусных яхт определена почти исключительно остойчивостью формы, так же как и скорость современных килевых яхт зависит главным образом от остойчивости формы.
Основной характеристикой остойчивости формы является поперечный момент инерции ватерлинии. Поэтому в первом приближении рабочую площадь парусности для современных яхт с плавниковым килем и обводами швертботного типа можно подсчитать по формуле
S = kLB,
где S - площадь парусности; k - эмпирический коэффициент; L - длина по КВЛ; В - ширина по КВЛ.
Для современных килевых яхт длиной 7-14 м k = 1,9...2,3. В водах Северного моря и Балтики рациональным оказался k = 2. Морские яхты в среднем несут, следовательно, 2 м2 парусности на каждый квадратный метр прямоугольника со сторонами L и В, причем в эту площадь входят только грот и передний парусный треугольник. Для сравнения гоночная яхта, например класса «Солинг», имеет k = 2,32. Для других парусных судов, согласно X. Баадеру, могут быть приняты следующие значения k (неизвестно, правда, учитывается ли здесь фактическая площадь стакселя или обмерная площадь переднего треугольника):
Тип яхты
«Звездник» 4,18
«Темпест» 2,80
«Дракон» 2,47
«R12» 3,67
«Фолькбот» 2,16
Учебно-парусное судно «Горх Фок» 2,34
«Олимпик» 1,88
«Летучий голландец» 2,09
«505». 2,45
Катамаран «Торнадо» 1,25
У многокорпусных судов площадь парусности, вычисленная по отношению к площади ватерлинии, относительно невелика, так как вряд ли у них есть резервы остойчивости для преодоления динамических дополнительных нагрузок, вызываемых Шквалами или волнами.
Большинство конструкторов оценивают способность яхты нового проекта к несению парусов опытным путем по данным предыдущих конструкций. В США применяется эталонный (сравнительный) расчет остойчивости, в котором учитываются площадь парусности, плечо статической остойчивости, мета-Дентрическая высота, водоизмещение и предполагаемое давление ветра. В результате определяется так называемый коэффициент Делленбуша, который представляет собой крен яхты в градусах при давлении ветра, равном единице. Этот прибли-женный метод хорош только при сравнении проекта с анало-гичными построенными яхтами.
До сих пор об остойчивости говорилось главным образом как о факторе, влияющем на продвижение яхты вперед, но го. раздо важнее она как фактор обеспечения безопасности плавания яхты. Для полноты картины нужно исследовать остойчивость формы и остойчивость массы, которая зависит от взаимного расположения центра тяжести и центра величины, а также статическую и динамическую остойчивость.
Для определения статической остойчивости нужно не только найти угол крена при статически постоянных моментах, таких, например, как равномерное давление ветра, но и кренящие моменты, появляющиеся при приведении яхты к ветру, изменении давления ветра или изменении распределения нагрузки относительно ДП. Предварительный расчет статической остойчивости нового проекта возможен, но он довольно трудоемкий и для яхт длиной до 20 м применяется редко. Для крупных яхт почти всегда выполняют только предварительную оценку остойчивости на основе сравнения ее с известными параметрами остойчивости прототипов, которыми располагает опытный конструктор.
Для морских яхт длиной свыше 20 м почти всегда делают опыт кренования. Условием для его выполнения является расчет кривых элементов теоретического чертежа. Все дальнейшие исследования, касающиеся плавучести, остойчивости, дифферента, спуска со стапеля и непотопляемости, базируются на этих кривых. Результатом пересчета остойчивости является
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Угол крена 8,град
Рис. 1. Типичные диаграммы статической остойчивости.
А- катамаран; В -швертбот с трапецией; В2 -крейсерский швертбот; С -яхта компромисс или со скуловыми килями;
D - килевая яхта с высоким надводным бортом; C1 и D1 - варианты яхт с надстройкой-баком.
диаграмма статической остойчивости (рис. 1). Опытом крено-вания определяется фактическое положение центра тяжести судна по высоте.
Кривые плеч остойчивости яхты при различных состояниях нагрузки (цистерны полные, наполовину заполненные или пустые) являются показателями статической остойчивости судна, позволяют определить максимальное плечо остойчивости и судить о тенденциях судна к уменьшению или увеличению статической остойчивости.
К сожалению, рассчитываемые с таким трудом кривые плеч остойчивости не имеют того значения, какое они должны были бы иметь при наличии единого масштаба для сравнительной оценки остойчивости разных судов. Предпосылкой для составления единого масштаба может быть, например, учет динамического воздействия на поперечную остойчивость яхты внезапного шквала при волнении. .
Расчет динамической остойчивости яхты кажется практически почти бесперспективным, особенно для небольших парусных яхт. До сих пор рассчитывают только кривые плеч остойчивости при движении яхты на спокойной воде. Уже много лет теоретики занимаются тем, чтобы заранее предсказать остойчивость судна на волнении. Так, в военно-морском флоте ФРГ разработаны определенные теоретические схемы для расчета потери остойчивости во время волнения. Но эти исследования можно проводить только на базе дорогостоящего испытания моделей, учитывая даже стабилизирующее влияние скорости судна.
При проектировании торговых судов диаграммы остойчивости первоначально носили только сравнительный характер без использования специальных критериев, характеризующих динамическое воздействие волнения. Точно было известно, что картина остойчивости судна на волнении не та, которую могли дать кривые плеч остойчивости на тихой воде. Таким образом, остойчивость опрокинутых судов исследовали по их диаграммам, рассчитанным для тихой воды. Такие же данные имелись и для судов, которые считались остойчивыми. Так постепенно установили, какими должны быть метацентрическая высота, плечо восстанавливающего момента при крене в 30° и угол заката диаграммы остойчивости на тихой воде, чтобы судно получилось заведомо остойчивым (критерий Рахола).
Этим, чисто статистическим, приемом пользуются и в настоящее время для оценки остойчивости обычных торговых су-Дов. Следовательно, определение остойчивости, несмотря на сложность, основано на статистических данных и потому оно не абсолютно, а относительно.
В необычных условиях, например при-чрезвычайно сильном волнении, справедливость установленных сегодня норм остойчивости может быть подвергнута сомнению. Стремление оценить остойчивость яхты аналогичным трудоемким и дорогостоящим методом исследований и разработок
для яхт длиной менее 20 м совершенно нереально. Это представляется технически невыполнимым вследствие большого разнообразия существующих типов яхт. Дело не только в больших затратах на предварительный расчет остойчивости и контроль путем опыта кренования. Эти затраты могли бы быть оправданы для серийных яхт, начиная с некоторых определенных размеров. Выше упоминалось о том, что для реальной оценки остойчивости наряду с методом вычисления статической остойчивости следует оценивать и динамические нагрузки. Однако для спортивных судов практически не существует таких методов, которые позволили бы получить необходимую информацию об остойчивости для разнообразных типов яхт путем испытания кренования, расчета кривых элементов теоретического чертежа, паитокарен и диаграмм динамической
остойчивости.
Изготовители и поставщики яхт говорят о неопрокидываемых судах на основе оценки массы балласта, которая составляет ту или иную долю от водоизмещения судна. Положение центра тяжести балласта при этом совершенно не подлежит оценке. Кроме того, среди специалистов нет единого мнения относительно того, к какому состоянию нагрузки яхты относить проценты доли балласта: к судну с заполненными цистернами,
с емкостями, заполненными наполовину, с экипажем и снабжением на борту или с порожними цистернами и без людей. Выбирая один из нескольких вариантов нагрузки, получают различные проценты доли балласта. Так как остойчивость имеет; решающее значение для безопасности яхты, знание соответствующих плеч остойчивости по отношению к основным кренящим и восстанавливающим моментам играло бы не меньшую роль. i
Еще в 1973 г. автор на страницах журнала «Ди Яхт» привел схему расчета для возможности сравнения теоретической) остойчивости современных яхт. По этой простой схеме любой конструктор может сравнить остойчивость своих проектов при крене 90° с другими яхтами, известными как заведомо остойчивые. Для одной яхты такой расчет занимает не более получаса. Совместными усилиями многих конструкторов, преждевсего создателей яхт, известных как остойчивые, можно было бы выработать четкое определение понятия «остойчивый от опокидывания». В разделе этой книги «Остойчивость и непотопляемость» предлагается схема расчета, дополненная двумя предельными (граничными) кривыми для оценки минимальныхи остаточных восстанавливающих моментов относительно размеров яхт.
После выбора материала и четкого определения назначения судна (для дальних спортивных плаваний, туризма или гонок) заказчиком и конструктором решаются такие вопро-сы, как потребность в спальных местах и санитарных устройствах, тип и мощность механической установки, дальность плавания под мотором, оборудование устройствами для обеспечения безопасности (например спасательные шлюпки), тип парусного вооружения, допустимые уровни шума в каютах, желаемые ходовые качества под парусами и мореходность, уровень комфорта, необходимость установки систем кондиционирования воздуха, опреснителя и других устройств и т. д.
Конструктивные решения должны быть гармонично согласованы между собой. Имеются в виду в основном следующие критерии.
Для катера (моторной лодки): планировка спальных и жилых помещений (по возможности дальше от источников шума, таких как моторы, агрегаты и гребные винты); размещение цистерн (как можно ближе к центру величины по длине -для облегчения дифферентовки при различной наполняемости цистерн); расположение винтов или винта (на возможно большем расстоянии от днища судна и руля - для уменьшения вибрации); применение выпускных газопроводов с глушителями достаточных размеров и забортным выводом по возможности дальше от жилой палубы и жилых помещений; мощность двигателя, обеспечивающая развитие заданной скорости при проектном водоизмещении; мощность генератора, необходимая для питания потребителей электроэнергии.
Для яхты: способность к несению парусов, обусловливаемая остойчивостью и массой балласта; положение центра парусности по высоте и длине относительно центра бокового сопротивления подводной части судна; ограничение осадки; необходимое оборудование палубы; планировка внутренних помещений; изменение положения центра величины при крене; предельные значения в обмере по правилам IOR; обеспечение относительной безопасности от опрокидывания.
Для парусно-моторного судна: в проекте такого судна необходимо учитывать в равной мере основные критерии как парусного, так и моторного судов. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что сегодня имеется сравнительно небольшое число парусно-моторных судов, удовлетворяющих современным требованиям.
Наряду с названными специальными критериями при проектировании отдельных типов яхт учитывают общие критерии, важнейшие из которых следующие: начальная остойчивость я предельная остойчивость при крене 90°; сопротивление воды движению судна (обычно рассматривают три составляющих его: сопротивление трения, сопротивление формы и волновое); Удельная мощность (отношение мощности на гребном валу к водоизмещению судна); соответствие положения центра тяжести положению центра величины по длине корпуса; площадь руля; Размеры связей набора; учет предписаний по правилам классификационных обществ.
После того как все указанные критерии учтены по степени их важности и приняты решения об их реализации в проекте, можно приступать к разработке генерального плана проекта. При этом необходимо оценить распределение объемного водоизмещения по отношению к распределению массы и выполнить эскизную проработку теоретического чертежа судна. Число последовательных приближений зависит от опыта конструктора - начинающему конструктору приходится перерабатывать проект много раз.
1.2.1. Расчет массы и положения центра тяжести судна
Расчет массы и положения центра тяжести судна - кропотливая работа, которая могла бы привести к нужным результатам уже при первом расчете, если бы конструктор знал точное значение массы всех деталей корпуса и оборудования. При этом расчете ведут отсчет плеч-расстояний центров тяжести отдельных элементов конструкции или дета-лей от основной линии (ОЛ) и мидель-шпангоута. Значения плеч вписывают в одну из колонок расчетной таблицы. В другой колонке проставляют массы соответствующих элементов, в третьей - моменты, полученные умножением плеча на массу ;, данного элемента. Сумма моментов, разделенная на сумму всех учтенных масс, дает расстояние центра тяжести судна от I соответствующей плоскости (по высоте - от ОЛ; по длине- от миделя).
При эскизной проработке проекта для небольших парусных яхт иногда выполняют еще расчет на безопасность от опрокидывания при крене 90°.
При первом расчете массы и положения центра тяжести не-избежны некоторые допущения. В то время как размеры дета-лей корпуса можно установить из сравнительных данных по другим подобным проектам, для яхт со значительным насыще-нием механическим и электротехническим оборудованием часто трудно определить массу соответствующего оборудования. Это относится прежде всего к системам трубопроводов и кабелей, масса которых на больших яхтах может составлять несколько тонн. Кроме того, при предварительном расчете отсутствуют точные данные о массе отдельных элементов устройств и обо-рудования. Конструктор обычно руководствуется сравнительными данными по отдельным группам массовой нагрузки. Это, естественно, не исключает повторного детального расчета массы элементов устройств и оборудования, даже если уже выполнены расчеты прочности и остойчивости и проведены буксировочные испытание модели с последующей корректировкой обводов корпуса. При отсутствии достаточного конструкторского опыта нередко приходится проводить больше двух расчетов массы и положения центра тяжести.
1.2.2. Разработка теоретического чертежа
и расчет водоизмещения
Следующим этапом проектирования яхты является разработка теоретического чертежа и расчет водоизмещения.
теоретического чертежа целесообразно выбрать таким, чтобы впоследствии его можно было использовать также для проектирования общего расположения яхты. Основу чертежа составляет сетка из линий теоретических шпангоутов, ватерлиний, батоксов и рыбин, которые наносят на прозрачную пленку с обратной стороны. Это позволяет в дальнейшем корректировать линии, пользуясь резинкой, без нарушения линий сетки, проведенных с большой точностью.
Сначала вычерчивают контуры бокового профиля и палубы, а также обвод мидель-шпангоута, затем - обводы других теоретических шпангоутов, рыбин и ватерлиний. При проектировании обводов шпангоутов и ватерлиний конструктор преследует цель обеспечения самого благоприятного обтекания корпуса, необходимой остойчивости формы и эстетического внешнего вида судна. Абсолютное выполнение этих условий выражается в точном совпадении предварительно определенного центра тяжести с центром величины подводного объема корпуса по длине, а также в достижении такого водоизмещения, которое было получено из расчета массовой нагрузки.
Распределение водоизмещения по длине является критерием, которому при проектировании быстроходных судов придают все большее значение. Обводы парусных яхт, кроме того, должны быть рассчитаны на плавание судна с креном от 0 до 30°. Необходимо, чтобы распределение водоизмещения по длине яхты при изменении крена изменялось как можно меньше. Это старое правило многие конструкторы сегодня забыли.
В то время как едва ли существует сомнение в том, что корпус моторного судна, особенно судна, рассчитанного на глиссирование, должен иметь минимальное водоизмещение, какое только допускают прочность материала и масса устройств, о корпусе парусной яхты этого сказать нельзя. Во-первых, здесь доля балласта является фактором, определяющим способность судна к несению парусов, и, во-вторых, ветер часто бывает неравномерным по своей скорости. Яхта с легким водоизмещением при шквале быстро набирает скорость, а после порыва ветра так же быстро теряет ее. Несмотря на успех яхт с малым водоизмещением, особенно при полном курсе (под спинакером), оказалось, что слишком легкое судно на волне в крутой бейдевинд не идет, а «топчется» на месте. Это сопровождается неприятной качкой. Для получения хороших всесторонних качеств яхты рационально, чтобы корпус и оснастка были легкими, как только допускают требования прочности, а общее водоизмещение было выдержано в разумных пределах.
На современных яхтах не применяют больше длинного киля и S-образных шпангоутов, поэтому обводы плавникового балластного киля чаще всего проектируют отдельно от корпуса, подготавливая самостоятельный теоретический чертеж. На об-Шем теоретическом чертеже судна показывают часто только контур киля с основными поперечными разрезами. В послед. нее время для килей используются обтекаемые профили, испытанные в аэродинамической трубе или опытовом бассейне, поэтому конструктору обычно известны центры величины их объема и центры тяжести. При расчете водоизмещения и центра величины судна объемы плавников киля и рулей, как правило, рассчитывают отдельно и наносят на строевую по шпангоутам дополнительно.
Строевая по шпангоутам при нормальном и накрененном положении быстроходных водоизмещающих парусных яхт стала наряду с характерными очертаниями кормовых ветвей батоксов важным критерием при проектировании обводов. Она определяет эффективную длину корпуса по ватерлинии, которая имеет мало общего с теоретической, или конструктивной, длиной по ватерлинии (КВЛ). В принципе конструктор стремится распределить водоизмещение как можно ближе к окончанию ватерлинии в носу и корме. У моторного судна эта тенденция выражается в появлении бульбовидного носа и такой же кормы. У парусной яхты применение носового бульба невозможно из-за плохого поведения яхты на волне, так как при килевой качке он создает повышенное сопротивление. Компромисс был найден в применении относительно полных сечений по носовым шпангоутам. В кормовой части, наоборот, целесообразна концентрация водоизмещения в корпусе яхты, так как здесь несложно обеспечить плавный сток воды. Некоторые конструкторы используют даже перо руля, как тело, имеющее достаточно большое водоизмещение, между тем как существуют обводы корпуса, которые просты и несмотря на это эффективны с точки зрения обмера.
Расчет водоизмещения и центра величины выполняют по правилу Симпсона, вычисляя площади теоретических шпангоутов. Для этой же цели используют планиметр, с помощью которого находят площади шпангоутов и наносят их на строевую по шпангоутам. Обкатав строевую планиметром, определяют водоизмещение. Пользуясь правилом Симпсона, можно быстро найти положение центра величины по длине. Довольно точно это можно сделать, уравновешивая строевую по шпангоутам, вырезанную из бумаги, на острие ножа. Проектирование линий теоретического чертежа с согласованием точек пересечения ватерлиний, рыбин и шпангоутов на всех проекциях, а также получение нужного значения водоизмещения и положения центра величины требует от конструктора терпения, сноровки и опыта.
1.2.3. Прочность и остойчивость
Если конструктор при разработке конструкции корпуса не может использовать данные о размерах связей набора
и прочности подобных судов, он должен или детально рассчитать прочность корпуса, или обратиться к предписаниям классификационных обществ, таких, как Германский Ллойд, Английский Ллойд и т. п. Классификационные общества получают почти все сведения о необходимых размерах деталей набора из опыта эксплуатации построенных судов. Однако пользоваться предписаниями классификационного общества целесообразно, когда речь идет о типовых судах. Если же требуется спроектировать чрезвычайно легкое и быстроходное судно, то конструктору лучше обратиться к расчетам прочности.
Выполняют расчеты общей продольной прочности корпуса, местной прочности и проверку на скручивание. Для небольших яхт расчет общей продольной прочности, как правило, не требуется, так как соотношение высоты и длины современных корпусов относительно мало. Даже для больших яхт часто отказываются от выполнения этого расчета из-за его трудоемкости (в связи с необходимостью учета динамики волнения). При этом кривую массовой нагрузки, выведенную из распределения массы корпуса и оборудования судна, сопоставляют с предполагаемым распределением сил плавучести для нескольких случаев в зависимости от того, где находится гребень и подошва волны относительно миделя. При упрощенном методе вершины волны принимают за опорные точки на носовом и кормовом перпендикулярах в местах их пересечения с КВЛ. Возникающее при этом напряжение определяют в явно опасном сечении, в большинстве случаев в середине судна, и оценивают соответствующим коэффициентом прочности, взятым из опыта постройки предшествующих яхт. Но даже и этот значительно упрощенный метод расчета довольно сложен.
К контрольным расчетам местной прочности относится расчет на сжатие корпуса, как и расчеты действующих напряжений в оснастке, руле и креплении балластного киля. Опытные конструкторы используют данные таблиц Ллойда при проектировании яхт облегченной конструкции, уменьшая указанные там размеры элементов набора на определенный
процент.
Полный расчет руля и сечения баллера весьма трудоемкий, если не используется компьютер. Хорошие исходные данные и в этом, случае могут быть получены из правил Германского Ллойда. Для выбора размеров сечения мачт и штагов можно еще воспользоваться старым американским методом расчета, в основу которого полагаются данные об остойчивости яхты при крене 30°.
К расчету местной прочности относится определение размеров крепления балластного киля. У некоторых гоночных яхт с узкими и глубокими килями при больших скоростях хода, особенно под спинакером, появляются значительные переменные нагрузки. Они возникают вследствие косого натекания потока на киль. Точный расчет этих нагрузок возможен только с помощью компьютера с соответствующей программой, хотя по результатам таких вычислений некоторые конструкторы разработали более простую методику расчета.
До сих пор нет упрощенного метода для расчета сил, скру. чивающих корпус яхты. Киль и руль, с одной стороны, и таке-лаж, с другой, дают довольно значительный скручивающий момент. У яхты, сконструированной по предписаниям классификационного общества, эти нагрузки учитываются в коэффициентах запаса прочности корпуса. У яхт облегченной конструкции такие нагрузки становятся критическими, нередко возникают усталостные явления.
Для правильного определения размеров всех узлов корпуса на стадии выполнения расчетов прочности необходимо принимать во внимание требования по безопасности. Массу спасательных и противопожарных средств нужно учитывать уже при первом расчете массовой нагрузки. Учитывают также массу аварийного рулевого устройства, максимальные размеры кокпита и минимальные размеры сливных шпигатов. Все классификационные общества включили в свои инструкции соответствующие устройства для обеспечения безопасности плавания, которые рекомендуется использовать для мореходных яхт. Особенно это необходимо, если яхта должна получить класс согласно Правилам постройки. Для 90% парусных яхт, которым не присваивается класс и которые строятся без наблюдения Регистра, целесообразно руководствоваться вновь переработанными в 1974 г. Правилами крейсерского отделения Германского парусного союза. В них содержатся международные и национальные директивы, касающиеся минимального снабжения и оборудования для обеспечения безопасности плавания мореходных парусных яхт на основе требований ORC (Международного комитета океанских гонок), а также вытекающие из этих требований дополнительные рекомендации по безопасности.
1.2.4. Расчет остойчивости
Для всех яхт поперечная остойчивость является важным критерием проектирования и одним из основных факторов безопасности плавания. К тому же у парусной яхты остойчивость непосредственно связана с продвижением вперед, так как сила тяги приложена на значительной высоте над уровнем воды, которая в свою очередь оказывает соответствующее сопротивление движению. Способность нести паруса, а отсюда и достижимая скорость зависят в основном от остойчивости яхты, которая противодействует давлению ветра при углах крена до 30°.
Если не принимать во внимание откренивающий эффект экипажа, то начальная остойчивость яхты обеспечивается в
основном ее шириной или, иначе говоря - остойчивостью фор-мы корпуса. Способность к несению парусов швертботов и многокорпусных яхт определена почти исключительно остойчивостью формы, так же как и скорость современных килевых яхт зависит главным образом от остойчивости формы.
Основной характеристикой остойчивости формы является поперечный момент инерции ватерлинии. Поэтому в первом приближении рабочую площадь парусности для современных яхт с плавниковым килем и обводами швертботного типа можно подсчитать по формуле
S = kLB,
где S - площадь парусности; k - эмпирический коэффициент; L - длина по КВЛ; В - ширина по КВЛ.
Для современных килевых яхт длиной 7-14 м k = 1,9...2,3. В водах Северного моря и Балтики рациональным оказался k = 2. Морские яхты в среднем несут, следовательно, 2 м2 парусности на каждый квадратный метр прямоугольника со сторонами L и В, причем в эту площадь входят только грот и передний парусный треугольник. Для сравнения гоночная яхта, например класса «Солинг», имеет k = 2,32. Для других парусных судов, согласно X. Баадеру, могут быть приняты следующие значения k (неизвестно, правда, учитывается ли здесь фактическая площадь стакселя или обмерная площадь переднего треугольника):
Тип яхты
«Звездник» 4,18
«Темпест» 2,80
«Дракон» 2,47
«R12» 3,67
«Фолькбот» 2,16
Учебно-парусное судно «Горх Фок» 2,34
«Олимпик» 1,88
«Летучий голландец» 2,09
«505». 2,45
Катамаран «Торнадо» 1,25
У многокорпусных судов площадь парусности, вычисленная по отношению к площади ватерлинии, относительно невелика, так как вряд ли у них есть резервы остойчивости для преодоления динамических дополнительных нагрузок, вызываемых Шквалами или волнами.
Большинство конструкторов оценивают способность яхты нового проекта к несению парусов опытным путем по данным предыдущих конструкций. В США применяется эталонный (сравнительный) расчет остойчивости, в котором учитываются площадь парусности, плечо статической остойчивости, мета-Дентрическая высота, водоизмещение и предполагаемое давление ветра. В результате определяется так называемый коэффициент Делленбуша, который представляет собой крен яхты в градусах при давлении ветра, равном единице. Этот прибли-женный метод хорош только при сравнении проекта с анало-гичными построенными яхтами.
До сих пор об остойчивости говорилось главным образом как о факторе, влияющем на продвижение яхты вперед, но го. раздо важнее она как фактор обеспечения безопасности плавания яхты. Для полноты картины нужно исследовать остойчивость формы и остойчивость массы, которая зависит от взаимного расположения центра тяжести и центра величины, а также статическую и динамическую остойчивость.
Для определения статической остойчивости нужно не только найти угол крена при статически постоянных моментах, таких, например, как равномерное давление ветра, но и кренящие моменты, появляющиеся при приведении яхты к ветру, изменении давления ветра или изменении распределения нагрузки относительно ДП. Предварительный расчет статической остойчивости нового проекта возможен, но он довольно трудоемкий и для яхт длиной до 20 м применяется редко. Для крупных яхт почти всегда выполняют только предварительную оценку остойчивости на основе сравнения ее с известными параметрами остойчивости прототипов, которыми располагает опытный конструктор.
Для морских яхт длиной свыше 20 м почти всегда делают опыт кренования. Условием для его выполнения является расчет кривых элементов теоретического чертежа. Все дальнейшие исследования, касающиеся плавучести, остойчивости, дифферента, спуска со стапеля и непотопляемости, базируются на этих кривых. Результатом пересчета остойчивости является
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Угол крена 8,град
Рис. 1. Типичные диаграммы статической остойчивости.
А- катамаран; В -швертбот с трапецией; В2 -крейсерский швертбот; С -яхта компромисс или со скуловыми килями;
D - килевая яхта с высоким надводным бортом; C1 и D1 - варианты яхт с надстройкой-баком.
диаграмма статической остойчивости (рис. 1). Опытом крено-вания определяется фактическое положение центра тяжести судна по высоте.
Кривые плеч остойчивости яхты при различных состояниях нагрузки (цистерны полные, наполовину заполненные или пустые) являются показателями статической остойчивости судна, позволяют определить максимальное плечо остойчивости и судить о тенденциях судна к уменьшению или увеличению статической остойчивости.
К сожалению, рассчитываемые с таким трудом кривые плеч остойчивости не имеют того значения, какое они должны были бы иметь при наличии единого масштаба для сравнительной оценки остойчивости разных судов. Предпосылкой для составления единого масштаба может быть, например, учет динамического воздействия на поперечную остойчивость яхты внезапного шквала при волнении. .
Расчет динамической остойчивости яхты кажется практически почти бесперспективным, особенно для небольших парусных яхт. До сих пор рассчитывают только кривые плеч остойчивости при движении яхты на спокойной воде. Уже много лет теоретики занимаются тем, чтобы заранее предсказать остойчивость судна на волнении. Так, в военно-морском флоте ФРГ разработаны определенные теоретические схемы для расчета потери остойчивости во время волнения. Но эти исследования можно проводить только на базе дорогостоящего испытания моделей, учитывая даже стабилизирующее влияние скорости судна.
При проектировании торговых судов диаграммы остойчивости первоначально носили только сравнительный характер без использования специальных критериев, характеризующих динамическое воздействие волнения. Точно было известно, что картина остойчивости судна на волнении не та, которую могли дать кривые плеч остойчивости на тихой воде. Таким образом, остойчивость опрокинутых судов исследовали по их диаграммам, рассчитанным для тихой воды. Такие же данные имелись и для судов, которые считались остойчивыми. Так постепенно установили, какими должны быть метацентрическая высота, плечо восстанавливающего момента при крене в 30° и угол заката диаграммы остойчивости на тихой воде, чтобы судно получилось заведомо остойчивым (критерий Рахола).
Этим, чисто статистическим, приемом пользуются и в настоящее время для оценки остойчивости обычных торговых су-Дов. Следовательно, определение остойчивости, несмотря на сложность, основано на статистических данных и потому оно не абсолютно, а относительно.
В необычных условиях, например при-чрезвычайно сильном волнении, справедливость установленных сегодня норм остойчивости может быть подвергнута сомнению. Стремление оценить остойчивость яхты аналогичным трудоемким и дорогостоящим методом исследований и разработок
для яхт длиной менее 20 м совершенно нереально. Это представляется технически невыполнимым вследствие большого разнообразия существующих типов яхт. Дело не только в больших затратах на предварительный расчет остойчивости и контроль путем опыта кренования. Эти затраты могли бы быть оправданы для серийных яхт, начиная с некоторых определенных размеров. Выше упоминалось о том, что для реальной оценки остойчивости наряду с методом вычисления статической остойчивости следует оценивать и динамические нагрузки. Однако для спортивных судов практически не существует таких методов, которые позволили бы получить необходимую информацию об остойчивости для разнообразных типов яхт путем испытания кренования, расчета кривых элементов теоретического чертежа, паитокарен и диаграмм динамической
остойчивости.
Изготовители и поставщики яхт говорят о неопрокидываемых судах на основе оценки массы балласта, которая составляет ту или иную долю от водоизмещения судна. Положение центра тяжести балласта при этом совершенно не подлежит оценке. Кроме того, среди специалистов нет единого мнения относительно того, к какому состоянию нагрузки яхты относить проценты доли балласта: к судну с заполненными цистернами,
с емкостями, заполненными наполовину, с экипажем и снабжением на борту или с порожними цистернами и без людей. Выбирая один из нескольких вариантов нагрузки, получают различные проценты доли балласта. Так как остойчивость имеет; решающее значение для безопасности яхты, знание соответствующих плеч остойчивости по отношению к основным кренящим и восстанавливающим моментам играло бы не меньшую роль. i
Еще в 1973 г. автор на страницах журнала «Ди Яхт» привел схему расчета для возможности сравнения теоретической) остойчивости современных яхт. По этой простой схеме любой конструктор может сравнить остойчивость своих проектов при крене 90° с другими яхтами, известными как заведомо остойчивые. Для одной яхты такой расчет занимает не более получаса. Совместными усилиями многих конструкторов, преждевсего создателей яхт, известных как остойчивые, можно было бы выработать четкое определение понятия «остойчивый от опокидывания». В разделе этой книги «Остойчивость и непотопляемость» предлагается схема расчета, дополненная двумя предельными (граничными) кривыми для оценки минимальныхи остаточных восстанавливающих моментов относительно размеров яхт.