Распределение площади между гротом и стакселем
Быстрейший ход на всех курсах кроме самого острого бейдевинда достигается при максимальной тяге (подъемной силе) парусов. Эта сила пропорциональна произведению площади крыла на его Суmax. Из авиационной аэродинамики известно, что Суmax можно увеличить применяя предкрылок. Вопрос: какую часть грота выгодно «отдать» стакселю?
Вот классическая зависимость ΔСуmax предкрылка от его величины, выраженной в долях хорды основного крыла: рис. 1, (например, «Энциклопедия авиасамодельщика» stroimsamolet.ru).
Из графика видно, что если, например, предкрылок имеет хорду (и площадь) в 1/5-ю от хорды основного крыла, то ΔСуmax = 1. Поскольку Суmax «чистого» паруса где-то 1,2 – 1,4, то видим, что такой предкрылок весьма эффективен: простое увеличение площади паруса на 1/5-ю дало бы приращение тяги на 20%, а в «виде предкрылка» – на 75%. Это объясняется тем, что предкрылок расположен «над лбом» основного крыла, где поток сильно ускорен, особенно – на максимальных Су-ках. Для наглядности, изобразим эти случаи на графике общей подъемной силы, рис 2.
Но все это, если предкрылок независимо «надстраивается» над крылом. А если их суммарная площадь ограничена? Как будет зависиеть произведение Суmax * (стаксель + грот) в этом случае?
Предположим, что предкрылок расположен по всему размаху крыла (по всей высоте грота). Здесь, «с появлением» предкрылка также будет расти Суmax, но дальше кривая начнет загибаться. «Опорными» точками для графика нам служат аэродинамика биплана (когда хорды сравняются) и характеристики щелевого закрылка, когда хорда переднего крыла станет больше хорды заднего. Известно, что такой же прирост ΔСуmax щелевой закрылок дает, когда его хорда в два раза больше, чем хорда предкрылка: опять же потому, что закрылок работает в более «медленном» воздухе. Это значит, что у нашей зависимости Суmax от «замены грота на стаксель», точка «10%» (от суммарной площади 100%) даст такой же прирост ΔСуmax как и точка «80%». А на 100%-ах – опять получим «чистое» крыло с Суmax = 1,3. То есть зависимость Суmax от подключения «стакселя за счет грота» будет напоминать рис. 3.
Максимум подъемной силы будет когда предкрылок займет где-то 40 – 45 % от общей площади, но еще раз оговоримся, что так будет если стаксель прямоугольный и имеет такую же высоту как грот.
Однако в реальности стаксель находится внизу грота, имеет треугольную форму и ограничен по «удлинению». Кроме того, поскольку ветер на высоте быстрее и «полнее», весьма важно какое место грота мы «пускаем» на стаксель.
Предположим, что катамаран гоночный, жесткий и со сквозными латами. Тогда, при заданной высоте мачты и ограничении на площадь, его форма будет тяготеть к прямоугольной. Начнем отрезать от его верхнего угла подобные треугольники и делать из них стаксели – как показано на рис. 4. При ветре 6 м/с на уровне палубы, и соответствующем ему высотном градиенте ветра над водой, комбинациям 1, 2. 3. 4. 5, 6 будет соответствовать указанная на них подъемная сила парусов.
. Если отдельно изобразить тягу верхней и нижней половин паруса (по высоте), то получим наглядный график «перетекания тяги» сверху вниз; красной линией показана их сумма
С учетом того, что штаг стоит в ДП (а не в оптимальном месте, как предкрылок у самолета), мы видим, что гоночные катамараны, ограниченные по площади, довольно близко попадают в «теоретический оптимум».
Однако, в «боевой ситуации», ограниченной по опрокидывающему (откренивающему) моменту, картина была бы другой. И если бы, например, Кулик бодался с Успенским на просторах Атлантики, то высоту своих парусов они бы делали меньше, а стаксель – больше.
Июнь, 2013
