ПАРУСНОЕ СУДНО

Полезная модель относится к области судостроения, а более конкретно к конструкциям парусных лодок, яхт и т.п.
Известны парусные суда с традиционной статичной схемой крепления парусов и киля к корпусу судна.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является парусное судно, содержащее корпус, по меньшей мере, один парус с мачтой и, по меньшей мере, один жестко связанный с мачтой киль, которые связаны с корпусом с возможностью одновременного вращения вокруг собственных осей (см. US 2006096512, опубл. 2006 г.).
Недостатком ближайшего аналога является не возможность плыть под углом к ветру менее (круче) 35-40 градусов. В этих случаях, которые называются левентик, им приходится идти галсами. Другим недостатком является существенно низкая скорость при курсах фордевинд, которые примерно совпадают с направлением ветра.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание судна, которое может осуществлять движение с относительно большой скоростью по любому курсу независимо от направления истинного ветра, в том числе и строго против него.
Поставленная задача решается тем, что парусное судно содержит корпус, по меньшей мере, один парус с мачтой и, по меньшей мере, один связанный с мачтой киль, которые связаны с корпусом с возможностью вращения вокруг собственных осей, при этом каждые парус и киль связаны с корпусом с возможностью перемещения собственной оси каждого паруса и киля относительно корпуса с обеспечением прямолинейного перемещения корпуса.
В одном частном варианте полезной модели каждые парус и киль могут быть связаны с корпусом с возможностью указанного перемещения путем вращения каждого паруса и киля вокруг соответствующей оси, смещенной относительно продольной оси корпуса и перпендикулярной ей. При этом паруса и кили могут быть расположены симметрично относительно продольной оси корпуса, а связь каждых паруса и киля с корпусом выполнена в виде консоли, закрепленной на корпусе, на конце которой установлена ось, на которой консольно закреплены, по меньшей мере, один парус и, по меньшей мере, один киль с возможностью вращения на указанной оси. На каждой оси консольно могут быть закреплены четыре паруса и четыре киля с образованием винта.
Во втором частном варианте полезной модели судно может содержать паруса и кили, связанные с корпусом с возможностью перемещения каждой их собственной оси в направлении поперечном относительно продольной оси корпуса, при этом паруса и кили могут быть закреплены на одном или более замкнутых тросах, каждый из которых расположен на двух роликах, установленных симметрично относительно продольной оси корпуса.
В третьем частном варианте полезной модели судно может содержать второй корпус, продольная ось которого параллельна продольной оси первого
корпуса, а каждые паруса и киля также связаны со вторым корпусом с возможностью перемещения их собственной оси между продольными осями корпусов в поперечном к ним направлении, при этом паруса и кили могут быть закреплены на одном или более замкнутых тросах, каждый из которых расположен на двух роликах, установленных каждый на соответствующем корпусе.
Во втором и в третьем частных вариантах полезной модели каждый киль может быть закреплен на мачте соответствующего паруса с образованием тандема с общей собственной осью вращения.
В четвертом частном варианте полезной модели каждый киль может быть закреплен на мачте соответствующего паруса с образованием тандема с общей собственной осью вращения, каждый тандем связан с корпусом с возможностью перемещения собственной оси относительно корпуса путем вращения собственной оси вокруг оси, перпендикулярной собственной оси тандема и пересекающейся с ней в точке между парусом и килем, при этом собственные оси тандемов могут пересекаться с одной и той же осью вращения.
Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежей.
с
в
п
На фиг.1 изображена схема судна по второму частному варианту полезной модели с двумя тандемами (парус с мачтой и киль), на фиг.2 изображена схема судна по второму частному варианту полезной модели с четырьмя тандемами, на фиг.3 приведены теоретические траектории движения килей и корпуса судна для варианта на фиг.1, на фиг.4 приведены действительные траектории движения килей и корпуса судна для варианта на фиг.1, на фиг.5 изображена схема судна по третьему частному варианту полезной модели с двумя тандемами, на фиг.6 показан разрез а-а на фиг.5, на фиг.7 изображена схема тандема в виде вертикального маятника по четвертому частному варианту полезной модели: а - общий вид тандема, б - поворот тандема вокруг оси О, в - схема с четырьмя тандемами, на фиг.8 показаны схемы объединения нескольких тандемов для обеспечения синхронности в их работе: а - мачта с тандемом вращается по часовой стрелке, б - вид 1-1 на а, в - обратный ход тандема, г - вид 2-2 на в, на фиг.9 изображена схема тандема в виде горизонтального маятника, на фиг.10 изображены пружинные механизмы для изменения направления вращения горизонтального маятника: а - вращение в одну сторону, б - вращение в противоположную сторону, на фиг.11 изображена схема с двумя горизонтальными маятниками, установленными на одну вертикальную ось, на фиг.12 изображен разрез 1-1 на фиг.11, на фиг.13 схематично показан принцип работы и характерные моменты в процессе качения горизонтального маятника, на фиг.14 показана схема движителя по принципу «буксира», на фиг.15 показана траектории движения буксира №1 при α=-90°, γ=±30° (40°), представленного на фиг.14, на фиг.16 показана схема движителя по принципу «байдарки», на фиг.17 схематично показан принцип работы «байдарки» и характерные моменты в процессе качения маятника, на фиг.18 показана схема,
в
в
c
предусматривающая реализацию предложенного способа на движителе, выполненном в виде вертикально расположенного воздушного винта: а - вид судна сверху, б - вид 1-1 на а, в - воздушный винт, на фиг.19 изображена схема работы паруса и киля по первому частному варианту полезной модели, на фиг.20 изображена схема судна по первому частному варианту полезной модели с полыми килями: а - вид сверху на судно с 4-мя винтами, б - вид 1-1 на а, в - план подобного судна с 10-ю винтами, на фиг.21 показано распределение скоростей характерных точек винта опоры «А», на фиг.22 показаны стадии вращения винта по первому частному варианту полезной модели: а - одна стадия, б - другая стадия, на фиг.23 показан профиль киля в секторах на фиг.22, на фиг.24 показан вариант с автономным изменением объема киля: а - при прохождении (нахождении) в секторе 1ш фиг.22, б - тоже в секторе 2ш, на фиг.25 показан подвижный киль переменного объема, на фиг.26 сечение 1-1 на фиг.25, на фиг.27 приведена схема судна с горизонтальным винтом с подъемной силой на подвижных килях, на фиг.28 приведена схема, поясняющая принципы исключения крутящего момента при автоматическом регулировании углов атаки парусов и килей: а - вид сбоку, б - вид 1-1 на а, на фиг.29 представлен механический способ регулировки углов атаки парусов для судна с горизонтальным винтом, на фиг.30 а-и изображены шаблоны, формы которых получены для случаев, когда угол истинного ветра изменяется с шагом примерно 22° в интервале от -90° до +90°, на фиг.30 к изображен шаблон, построенный для киля лодки с обычным горизонтальным винтом, при α=-90°, на фиг.31 элемент, собранный из шаблонов на фиг.30 а-и, на фиг.32 и 33 приведены формы шаблонов регуляторов парусов для горизонтального маятника, работающего по принципу байдарки, при α=-68° соответственно для паруса 1и паруса 2, на фиг.34 приведен шаблон килей, на фиг.35 и 36 приведены графики зависимости скорости V от курса в полярных координатах для 3-х лучших видов парусников, рассчитанных соответственно по первому и второму вариантам.
Парусное судно по любому из вариантов содержит корпус 1 (совмещен с плоскостью листа), парус 2 с мачтой 3 и связанный с мачтой 3 киль 4. Парус 2 и киль 4 связаны с корпусом 1 с возможностью одновременного, взаимно независимого вращения вокруг собственных осей и перемещения собственной оси каждого паруса 2 и киля 4 относительно корпуса 1 с обеспечением прямолинейного перемещения корпуса 1.
По второму варианту полезной модели (фиг.1-4) паруса 2 и кили 4 связаны с корпусом 1 с возможностью перемещения каждой их собственной оси в направлении поперечном относительно продольной оси корпуса 1 судна. Каждый киль 4 закреплен на мачте 3 соответствующего паруса 2 с образованием тандема с общей собственной осью вращения. Паруса 2 и кили 4 закреплены на одном или более замкнутых тросах 5, каждый из которых
с
расположен на двух роликах 6, установленных симметрично относительно продольной оси корпуса 1. Парус 2, мачта 3, киль 4, ролики 5 и трос 6 образуют движитель. Схема судна показана в неподвижной системе координат ХОУ, на момент когда в процессе движения судна его центр масс (точка О) совмещен с началом координат системы отсчета, то есть с точкой О. Подвижные кили 4 должны иметь минимальное лобовое гидродинамическое сопротивление. Они изготавливаются без свинцового противовеса. На одной лодке их может быть один, два, три, четыре и более. Кили 4 одного движителя следует всегда ориентировать симметрично, под одинаковым углом к продольной оси лодки, а их паруса - под углом, обеспечивающим максимальную скорость. Паруса 2 ориентируются симметрично только в случаях, когда линия действия истинного ветра совпадает с продольной осью судна, то есть когда задача симметричная.
На фиг.1 и 2 трос 5 совмещен с направляющей для парусов и килей. Трос 5 «перекинут» через ролики 6 и вместе с парусами и килями имеет возможность перемещаться в направлении стрелок по замкнутой траектории.
Каждый раз в процессе «обхода» роликов 6 на киле 4 и парусе 2 следует соответствующим образом менять угол их наклона к продольной оси корпуса 1 лодки. На этой стадии подвижный элемент будет находиться в пассивном состоянии. Он не будет создавать тягу. Парус 2 и киль 4, в процессе смены ориентации, должны иметь минимальное аэрогидродинамическое сопротивление.
При необходимости уменьшения размера «м» следует сократить ширину килей 4 и парусов 2, одновременно увеличив их количество. На фиг.2 показан полученный таким образом 4-х килевой движитель. Подвижные элементы целесообразно делать легкими.
c
к1
к2
Теоретические траектории движения килей 4 и корпуса 1 судна для случая с двумя парами парус-киль показаны на фиг.3. Здесь предполагается, что радиус роликов 6 равен нулю. Каждая пара парус-киль движется по зигзагообразному маршруту, а корпус 1 лодки - по прямой. Скорость судна обозначена V, а скорость килей 4 - V и V. В действительности траектории будут иметь несколько более сложные конфигурации, что показано на фиг.4. Это обусловлено тем, что направляющие парусов и килей смещены относительно друг друга на величину диаметра роликов 6. В процессе «обхода» роликов 6 у первой пары парус-киль на правом колесе линейная скорость от вращения направлена против хода лодки, а у второго на левом колесе - по ходу. Поэтому в системе неподвижных координат ОХУ траектория на правом шарнире сплющивается, а на левом, наоборот, растягивается.
1
2
Углы наклона траекторий килей 4 к осям координат приведены на фиг.3. При движении в сторону положительного направления оси ОХ угол с нею составляет μ, а в сторону ее отрицательного направления - μ:
1
В обоих случаях угол с осью ОУ составляет (90° - μ).
Ввиду особенностей конфигурации движителя каркас лодки получается развитым вширь. На одном судне можно разместить два таких движителя: один в носовой части, другой - в кормовой. Подобное решение по третьему варианту полезной модели показано на фиг.5. Судно содержит два корпуса 1, продольные оси которых параллельны. Каждые паруса 2 и кили 4 связаны с обоими корпусами 1 с возможностью перемещения их собственной оси между продольными осями корпусов 1 в поперечном к ним направлении. Так же, как и для судна с одним корпусом, паруса 2 и кили 4 закреплены на одном или более замкнутых тросах 5, каждый из которых расположен на двух роликах 6, установленных каждый на соответствующем корпусе 1.
При необходимости возможны и другие соединительные элементы, повышающие прочность и жесткость каркаса. В целом по форме судно похоже на катамаран. Разумеется, что с водой контактируют только плавучие части и кили 4, а направляющие парусов и килей и соединительные звенья каркаса находятся в воздухе, в надводном пространстве (фиг.6).
С целью исключения бокового дрейфа и повышения устойчивости корпуса судна к вращению следует его снабдить неподвижными килями 7. Вращающий момент может появиться в случае несимметричного приложения сил от парусов и килей к корпусу 1 лодки.
При необходимости движителей может быть более двух. В пространстве между корпусами 1 можно разместить дополнительные движители. При этом следует учитывать отрицательный фактор взаимного затенения парусов в части силы ветра. Тросы разных направляющих могут иметь противоположные вращения.
На участках, отмеченных на фиг.5 буквой «п», траектории движения подвижных элементов пересекаются с корпусом судна. Кили 4 на этих участках пути следует вытаскивать из воды. При относительно большом количестве подвижных элементов этот процесс не будет энергоемким ввиду малых размеров килей 4. Так как этот процесс здесь будет иметь многократно повторяющийся характер, то энергию опускания одного киля 4 можно использовать для подъема другого.
с
п
к
Схема пары парус-киль в виде вертикального маятника по четвертому частному варианту полезной модели изображена на фиг.7. Каждый киль 4 закреплен на мачте 3 соответствующего паруса 2 с образованием тандема с общей собственной осью вращения. Каждый тандем связан с корпусом 1 с возможностью перемещения собственной оси относительно корпуса путем вращения собственной оси вокруг оси - О, перпендикулярной собственной оси тандема и пересекающейся с ней в точке между парусом 2 и килем 4. Радиус вращения парусов обозначен z, а радиус килей - z.
с
Здесь поступательное движение вдоль направляющих заменено на вращение тандема вокруг горизонтальной оси. Ось вращения О направлена параллельно продольной оси лодки. При этом относительно корпуса 1 судна киль 4 и парус 2 совершают вращательно-колебательные движения в плоскости,
перпендикулярной к его продольной оси. В неподвижной системе отсчета их траектории движения представляют собой сопряженные отрезки винтовых кривых, образованных на цилиндрических поверхностях.
п
В процессе вращения при достижении предельного угла поворота γ на киле 4 и парусе 2 меняются углы атаки, одновременно происходит смена направления вращения. Поэтому такой тандем назван вертикальным маятником. На этой стадии киль 4 может находиться вне воды или оставаться в воде. Первый вариант предпочтительнее тем, что в воздухе легче менять угол ориентации киля 4.
с
п
Если на одном судне установить несколько подобных маятников, то их можно объединить в одну механическую систему (фиг.7в). Собственные оси таких тандемов пересекаются с одной и той же осью вращения О. Это позволит избежать сложностей в «мертвых точках» при достижении тандемов предельных углов γ и обеспечит синхронность в их работе. Для этого ход тандемов следует сдвинуть по фазе относительно друг друга, как это делается, например, с поршнями в двигателях внутреннего сгорания. Объединение можно выполнить при помощи кривошипно-шатунного механизма или по схеме, изображенной на фиг.8.
Схема состоит из шестерни 8, скрепленной с мачтой 3 тандема и шестернями 9-12, расположенных на своих соответствующих осях вращения 13 и 14. Шестерни 9 и 10 не контактируют друг с другом, а шестерни 11 и 12 находятся в постоянном контакте. Шестерня 8 контактирует с шестерней 9 только в процессе своего вращения по часовой стрелке, а с шестерней 10 - только в процессе своего вращения против часовой стрелки. Этого можно добиться разными способами. Например, методом перемещения вдоль своих осей вращения соответствующих шестерен или путем использования специальных соединений шестерней с осями, допускающими совместное вращение только в одном направлении.
В позиции, показанной на фиг.8 а, мачта с тандемом вращается по часовой стрелке, поворачивая посредством шестерни 8 шестерню 9 с осью 13 против часовой стрелки. При этом благодаря контакту шестерен 11 и 12 ось 14 с шестерней 10 вращаются по часовой стрелке. В процессе обратного хода тандема (фиг.8 в) шестерня 8 вращает шестерню 10 с осью 14 по часовой стрелке. При этом шестерня 12 поворачивает шестерни 11, 9 и ось 13 против часовой стрелки. В результате ось 13 всегда вращается против часовой стрелки, а ось 14 - по часовой. Для объединения нескольких вертикальных маятников будет достаточно соединить друг с другом их оси 13 и 14. Механизм объединения служит главным образом для обеспечения синхронности в работе нескольких маятников, а не для передачи мощности и выполнения операции холостого хода. В отличие, скажем, от системы двигателя внутреннего сгорания. Поэтому и потери мощности на рассмотренной передаче будут небольшими.
1
2
1
2
с
На фиг.9 а изображена схема тандема в виде горизонтального маятника. Здесь имеется возможность разместить два паруса в диаметрально противоположных точках «А» и «Б». Балку «АБ», на которой размещаются паруса 2, названа парусной балкой. Аналогичным образом размещены два киля 4 в точках «С» и «Д». Балка «СД», на которой расположены кили 4, названа килевой балкой. Площади и конструкции парусов, подвижных килей приняты одинаковыми. Механизм маятника состоит из парусной балки с парусами 2 и 2, килевой балки с килями 4 и 4, а также из оси «О», вокруг которой вращаются балки.
По аналогии с предыдущими случаями корпус 1 (совмещен с плоскостью листа) лодки снабжен неподвижным килем 7, для восприятия сил дрейфа в направлении оси ОХ.
c
с
с
с
п
п
п
вi
т
Движитель в виде горизонтального маятника приводится в рабочее состояние следующим образом. Вначале определяется направление вымпельного ветра J для корпуса 1 лодки, то есть угол ж (фиг.9 б). Линия, проведенная через точку О под углом ж к оси ОХ, обозначается как «аб». Далее следует парусную балку «АБ» расположить по этой линии, а килевую «СД» - вдоль оси ОУ. Угол между ними равен φ (фиг.9 а). В такой ориентации балки жестко скрепляются между собой и маятник готов для работы. Данное положение маятника названо - стартовым. Принцип работы заключается в качении маятника относительно стартового положения по часовой стрелке и против нее в пределах углов ±γ. Причем углы +γ и -γ по абсолютной величине могут быть не равными друг другу. Качение происходит под воздействием крутящего момента, который создают силы ветра F на парусах в результате их соответствующей настройки. При этом подвижные кили ориентируют таким образом, чтобы вся система в целом создавала в положительном направлении оси ОУ свободный вектор тяги F. Как и в предыдущих движителях, в процессе работы углы парусов и килей являются переменными величинами.
Каждому вымпельному ветру корпуса судна соответствует свое положение линии «аб». В дальнейшем, при изменениях вымпельного ветра, механизм движителя должен автоматически корректировать угол φ. Цель корректировки - обеспечить порядок вращения, при котором в момент совмещения парусной балки «АБ» с линией «аб» килевая балка «СД» расположилась бы по оси ОУ, как это определено выше в виде стартового условия. На стадии корректировки угла φ механизм взаимного крепления балок освобождается, а затем снова запирается.
в
п
п
c
c
При проектировании нового движителя одной из основных задач является нахождение расчетным путем для различных значений угла α наиболее выгодных пределов качения маятника, то есть углов +γ и -γ. Одним из главных критериев оценки выгодности является максимальная скорость V. Данная задача может быть решена путем расчета скорости V при варьировании
п
п
угла γ и последующего выбора по полученным результатам приемлемых пределов +γ и -γ. Кроме того, в процессе решения задачи можно параллельно варьировать и величину угла φ в большую и меньшую сторону от его стартовой величины.
1
п
1
2
2
2
к
1
2
1
п
Относительно корпуса 1 лодки в процессе качения маятника парус 2 совершает возвратно-поступательные движения по дуге радиусом z между точками П и П, а парус 2 - аналогичные движения со сдвигом на 180°. Киль 4 движется возвратно-поступательно по дуге с радиусом z между точками K и К, а киль 4 - совершает аналогичные движения со сдвигом на 180°. При достижении маятником каждого из предельных углов поворота ±γ он сталкивается с пружинными механизмами «п», которые обеспечивают изменение направления вращения на противоположное (фиг.10). Чтобы не затемнять рисунок, здесь с пружиной контактирует только парусная балка, а килевая показана пунктиром.
Возможны и другие варианты решения вопроса по развороту на 180° вектора  маятника. Здесь  - это угловая скорость вращения маятника, a J - момент инерции. Роль этого механизма по возможности сохранить максимум кинетической энергии вращения маятника и направить его в обратном направлении.
В процессе контакта балок с пружинными механизмами появляется крутящий момент на корпусе судна в направлении вращения наезжающего маятника. На стадии равномерного движения чуть позже его действие уравновешивается таким же по величине, но обратно направленным моментом, который появляется в результате наезда маятника на пружинные механизмы во время обратного хода. В результате корпус лодки будет подвергаться воздействию взаимно уравновешивающихся пульсирующих моментов противоположного направления.
с
п
с
Эти нагрузки можно исключить, если на оси О разместить два маятника, вращающихся в зеркально-противоположных направлениях. Чтобы маятники не мешали друг другу вращаться, как вариант, у них должны быть разные радиусы вращения парусов и килей. Пружинные механизмы должны располагаться относительно линии «аб» под углами +γ. В рассмотренном случае их опоры, исходя из масштаба рисунка, случайно совместились в один треугольник. В общем, это совсем не обязательно. В случае изменения угла линии «аб» опоры пружин должны иметь возможность отцепиться от корпуса судна, повернуться вокруг оси О на соответствующий угол и снова закрепиться за корпус лодки.
Вместо пружинных механизмов по фиг.10 можно использовать кривошипно-шатунный механизм с маховиком.
Вариант для случая с двумя горизонтальными маятниками, установленными на одну вертикальную ось, в схематичном виде изображен на фиг.11,
п
12. Маятники имеют разные радиусы вращения, а парусные и килевые балки располагаются на разных отметках, чтобы при качении не оказаться друг другу помехой. Соответствующие парусные и килевые балки каждого маятника скрепляются в одно целое с помощью вертикальных соединительных элементов (см. сечение по 1-1), устанавливаемых по бокам балок на участках, примыкающих к оси вращения. Далее маятники объединяются в один единый механизм с помощью шатунно-кривошипного механизма или по схеме фиг.8. Это обеспечит синхронность в их работе. Одновременно с целью смягчения инерционных сил при достижении маятниками предельных углов поворота γ можно частично использовать пружинные механизмы по фиг.10. Возможны другие варианты.
п
п
Количество маятников в движителе принципиально не отражается на особенностях их работы и методиках расчета. Принцип работы движителя и характерные моменты в процессе качения маятника схематично изображены на фиг.13. Один цикл качения разделен на две стадии: стадия 1 - вращение маятника против часовой стрелки; стадия 2 - по часовой стрелке. На стадии 1 стартовое положение показано на фиг.13 б, а момент, предшествующий достижению предельного угла поворота γ, - на фиг.15 в. Затем начинается стадия 2 (фиг.13 г), то есть вращение маятника по часовой стрелке. На фиг.13 д маятник зафиксирован в стартовом положении, но уже на стадии 2, а на фиг.13 е - в момент, предшествующий достижению предельного угла поворота - γ. Далее начинается стадия 1, показанная на фиг.13 а. На этом завершается один цикл качения маятника. Далее движение будет повторяться аналогичным образом.
с
Принцип буксиров приведен на фиг.14, 15. Движитель по данному варианту изображен на фиг.14. Корпус лодки расположен в точке О. Судно приводится в движение тандемами 1 и 2, паруса и кили которых занимают положения, придающие им функции буксиров. Движение судна происходит в положительном направлении оси ОУ. Чтобы исключить дрейф корпуса лодки, он оснащен неподвижным килем.
п
Расчетные центры тандемов 1 и 2 шарнирно соединены с расчетным центром судна радиальными стержнями соответственно 10 и 20, длина которых равна r. Относительно корпуса лодки тандемы вместе со стержнями совершают колебательные, возвратно-поступательные движения в пределах углов +γ по принципу горизонтального маятника. Шарниры в точках 1, 2 и 0 позволяют каждому тандему занимать требуемое положение, а стержням 10 и 20 обеспечивают работу на растяжение или сжатие, возможно при наличии кручения. Здесь шарниры должны обеспечить тандемам и корпусу парусника перемещения не только в горизонтальной плоскости, но и по вертикали в результате волнений на воде. Основным отличием является размещение парусов не на парусной балке, а на соответствующем киле, обладающем
плавучестью. Размеры стержней 10 и 20 значительно больше габаритов судна.
Существует угроза опрокидывания тандемов при боковом ветре, так как нет препятствующих этому направляющих, соединенных с корпусом. Данную проблему можно решить двумя способами: используя противовесы, закрепляемые в нижней части подвижных килей, или при помощи шарниров, имеющихся в точках 1, 2 и 0, передавать крутящий момент на корпус судна. Последний вариант приводит к усложнению конструкций шарниров и радиальных стержней, зато исключает увеличение инерционности и гидродинамического сопротивления подвижных килей из-за массы и габаритов противовесов. В некоторых случаях опрокидывающие моменты от тандемов 1 и 2 на корпусе судна будут частично взаимно гаситься.
Желаемым вариантом распределения продольных усилий в радиальных стержнях 10 и 20 является растяжение в первом и сжатие во втором. При этом оба тандема будут работать в качестве буксиров, двигающих лодку вперед. В противном случае тандем станет выполнять функцию не тягача, а буксируемого элемента движителя.
в
п
Траектории движения буксира №1 при α=-90°, γ=±30° (40°) представлены на фиг.15.
Возможно проектирование лодки с одним буксиром. Например, если исключить буксир №2, оставив только буксир №1, то стержень 10 может работать только на растяжение. В этом случае его можно изготовить из троса большой длины, соответственно увеличится амплитуда и уменьшится частота качения маятника.
Принцип байдарки приведен на фиг.16, 17. Вариант такого движителя схематично изображен на фиг.16. Данный движитель получен путем использования принципа байдарки в движителе с горизонтальным маятником. Суть работы парусной балки «АБ» и парусов такая же, как и в движителе с горизонтальным маятником. Отличие заключается в работе килевой балки «СД» и килей. Названия килевой балки и килей условно здесь сохранены. В стартовом положении маятника балка «СД» ориентируется по линии оси ОХ, а балка «АБ» - по линии «аб». Расположив таким образом балки «АБ» и «СД», их следует взаимно жестко скрепить. Угол между ними, как и прежде, обозначен - φ. В результате получится в стартовом положении движитель в виде горизонтального маятника по принципу байдарки. В случае изменения угла вымпельного ветра, автоматически производится соответствующая корректировка угла φ (см. вариант с горизонтальным маятником).
с
п
п
п
В процессе работы движителя маятник, вращаясь вокруг оси О, качается в пределах углов ±γ. Причем углы +γ и -γ по абсолютной величине могут быть не равными друг другу. Вращение маятника, смена активности килей, повороты парусов происходят под воздействием крутящего момента от сил, действующих на паруса. Для этого углы ориентации парусов постоянно
т
соответствующим образом изменяются. Положение киля тоже все время корректируется таким образом, чтобы вся система в целом создавала свободный вектор тяги F в требуемом направлении.
1
2
с
к
с
Кили совершают работу, напоминающую работу весел байдарки. Здесь в любой момент времени только один из килей может быть в активном состоянии (киль 4) и находиться в воде, а другой (киль 4) должен быть в пассивном состоянии, следовательно, вынут из воды (фиг.16 б). Далее активность килей меняется. Чтобы свести к минимуму силы аэродинамического сопротивления на пассивном киле, его следует располагать в горизонтальном положении. Смена активностей килей производится поворотом килевой балки СОД в вертикальной плоскости на угол β с одновременным поворотом плоскости активного киля из вертикального положения в горизонтальное, а пассивного, наоборот - из горизонтального в вертикальное. Чтобы один киль был активным, а при этом другой - пассивным, балка СД должна в вертикальной плоскости иметь ломаную продольную ось или шарнир в точке О.
Как обычно, корпус лодки снабжен неподвижным килем, для восприятия сил дрейфа в направлении, перпендикулярном курсу.
в
п
п
с
При проектировании нового движителя одной из основных задач является нахождение расчетным путем для различных значений угла α наиболее выгодных пределов качения маятника, то есть углов +γ и -γ. Одним из главных критериев оценки выгодности является максимальная скорость V.
п
При достижении маятником каждого из предельных углов поворота ±γ он сталкивается с пружинными механизмами, которые обеспечивают изменение направления вращения на противоположное.
1
2
1
2
п
п
Схематично работа движителя и характерные моменты в процессе качения маятника изображены на фиг.17. Один цикл качения разделен на две стадии. На стадии 1 (фиг.17 а-в) маятник вращается против часовой стрелки, киль 4 находится в активном состоянии, а киль 4 - в пассивном.  Вращение обеспечивается за счет соответствующей ориентации парусов, при которой силы, действующие на них, создают крутящий момент с положительным знаком. На стадии 2 (фиг.17 г-е) вращение происходит по часовой стрелке, при этом киль 4 пассивен, а киль 4 - активен. В процессе этой стадии паруса ориентируются таким образом, чтобы крутящий момент на парусной балке имел отрицательный знак. На стадии 1 стартовое положение показано на фиг.17 б, а момент, предшествующий достижению предельного угла поворота γ - на фиг.17 в. Затем начинается стадия 2 (фиг.17 г), то есть вращение маятника по часовой стрелке. На фиг.17 д маятник зафиксирован в стартовом положении, но уже на стадии 2, а на фиг.17 е - в момент, предшествующий достижению предельного угла поворота -γ. Затем начинается
1 стадия, показанная на фиг.17 а. На этом завершается один цикл качения маятника. Далее все аналогично будет повторяться.
1
2
За счет вращения маятника на первой стадии движитель отталкивается от воды килем 4, а на второй стадии при его вращении в противоположном направлении - килем 4. Визуально кили движителя, работая как весла байдарки, попеременно отталкиваются от воды и обеспечивают движение судна вперед.
x1
x1
На фиг.18 показан вариант, предусматривающий реализацию предложенного способа на движителе, выполненном в виде вертикально расположенного воздушного винта. Роль подвижных парусов и килей здесь выполняют лопасти воздушного винта. Корпус 1 лодки принят в форме катамарана (фиг.18 а), у которого в центральной части имеется вертикальная мачта 15. К мачте крепится горизонтальная балка 16 с двумя одинаковыми воздушными винтами 17 на концах. Радиус крепления воздушных винтов несколько больше максимального, габаритного радиуса корпуса 1 лодки. Плоскости вращения винтов расположены вертикально. Балка снабжена хвостовиком 18 для отслеживания вымпельного ветра J и может вращаться в горизонтальной плоскости на все 360° вокруг оси мачты. Поэтому плоскости обоих винтов всегда ориентированы перпендикулярно вектору ветра J.
Каждый воздушный винт (фиг.18 в) состоит из 24 лопастей, равномерно распределенных по окружности. На рисунке они разделены радиальными линиями. Нижняя кромка винта погружена в воду, так что 4 его секции (лопасти), отмеченные цифрой 19, находятся в воде, а остальные секции, отмеченные цифрами 20, 21 и 22 - в воздухе. В результате вращения воздушного винта под воздействием вымпельного ветра все секции поочередно погружаются в воду. Находясь в воздушной среде, секции 20 выполняют функции лопастей воздушного винта, а при опускании в воду они исполняют роль киля (секции 19). Для этого секции должны иметь соответствующие прочностные и качественные характеристики, а также возможность, вращаясь, менять угол атаки. В воздухе их ориентация определяется углом атаки вымпельного ветра, а в воде - углом μ.
Ось вращения секций «о-о» показана только на фрагменте справа от винта. Здесь, у секции 22, путем вращения вокруг оси «о-о» изменяется угол атаки для перехода из режима киля в режим лопасти воздушного винта. При этом на секции 21 имеет место обратный процесс: путем вращения вокруг оси «о-о» из режима лопасти воздушного винта она переходит в режим киля.
В данном движителе используется вращающийся элемент, в котором функции лопасти воздушного винта и киля совмещены в одном элементе (секции). Количество секций, соотношение килей и лопастей могут отличаться от чисел, принятых в данном примере.
На фиг.19 изображена схема работы паруса 2 и киля 4 по первому частному варианту полезной модели. В данном движителе винт образован путем совмещения горизонтального маятника с маятником движителя,
1-4
1-4
с
i
работающего по принципу байдарки. Парусные балки с парусами 2 объединяются в один элемент, который назван парусным винтом. Он изображен в левом поле рисунков. Килевые балки с килями 4 объединены в другой элемент, названный килевым винтом. Он изображен на рисунках в правом поле листа. Парусные балки друг с другом соединяются жестко под углом 90°. Килевые балки взаимно соединяются аналогичным образом. Парусные и килевые винты взаимно соединяются под углом φ. На рисунке изображены два варианта этого угла, когда φ=0° (рис.19 а) и φ=45° (фиг.19 б). Таким образом, получен горизонтальный винт, состоящий из 4-х парусов, 2-х парусных балок, 4-х килей и 2-х килевых балок. Центром его вращения является точка О. Парусный и килевой винты изображены раздельно, чтобы не затемнять рисунок. Угол между i-ой парусной (килевой) балкой и осью ОХ обозначен буквой θ.
с
с
с
с
с
с
Горизонтальный винт может вращаться как по часовой стрелке, так и против него. На фиг.19 изображен вариант, когда винт вращается против часовой стрелки, а движение парусника осуществляется в положительном направлении оси ОУ. В секторе «ОaсбО» кили находятся в активном состоянии, а в секторе «ОабО» - в пассивном. Смена активности килей производится по схеме килей движителя по принципу байдарки. В процессе вращения горизонтального винта все кили, по очереди оказываясь в секторе «ОaбО», переходят в пассивное состояние, а при выходе из него возвращаются в активное состояние.
Если винт по фиг.19 а повернуть против часовой стрелки на 90°, то нумерация его элементов примет вид, изображенный на фиг.19 в.
Активность или пассивность парусов определяется расчетом. В отличие от рассмотренных ранее некоторых маятников здесь для парусной балки нет параметра линии «аб», следовательно, и не следует искать наиболее выгодное ее положение.
ас
бc
сc
дc
ас
бс
сс
дс
На фиг.20 изображена схема судна по первому частному варианту полезной модели. Паруса 2 и кили 4 расположены симметрично относительно продольной оси корпуса 1, при этом связь каждых паруса и киля с корпусом выполнена с помощью консолей 18, закрепленных на корпусе 1, на конце которых установлены, соответственно, оси О, О, О, О. На каждой из этих осей консольно закреплены четыре паруса 2 и четыре киля 4 с возможностью вращения с образованием винта. Каждые парус 2 и киль 4 связаны с корпусом 1 с возможностью перемещения последнего путем вращения каждого паруса 2 и киля 4 вокруг соответствующих осей О, О, О, О, смещенных относительно продольной оси корпуса и перпендикулярных ей. На фигуре паруса не показаны, чтобы не затемнять рисунок.
На фиг.20 использован горизонтальный винт с переменным объемом подвижных килей.
Движитель данного типа отличается от варианта на фиг.19 лишь конструкцией подвижных килей, которые изготавливаются полыми с
возможностью менять свой объем и на определенных стадиях благодаря плавучести поддерживать вес корпуса судна.
Для достижения этой цели судно снабжается, как минимум, четырьмя горизонтальными винтами, например, по схеме, изображенной на фиг.20 а, б. Плавучесть лодки обеспечивается за счет четырех подвижных килей 4. В любой момент времени в каждом горизонтальном винте один киль имеет полый, воздушный объем с выталкивающей силой равной, как минимум, 1/4 всего требуемого объема. В данном случае этими килями являются те, которые наиболее отдалены от центральной продольной оси парусника. На рисунке они изображены в виде затемненной сигарообразной фигуры. Наиболее близко расположенные к корпусу подвижные кили находятся в пассивном состоянии.
Корпус судна не касается воды. Соответственно у него будет совершенно другой дизайн, продиктованный требованиями прочности и аэродинамики. Желательно, чтобы под воздействием вымпельного ветра при любом курсе вертикальная составляющая аэродинамической силы, действующей на корпус, приподнимала его. Тем самым удастся несколько снизить требования к плавучести подвижных килей. Неподвижный киль 7 устанавливается под корпусом вдоль его продольной оси. Возможно его размещение в зонах осей вращения горизонтальных винтов, но это сопряжено с определенными конструктивными трудностями.
На фиг.20 в изображен воображаемый план подобного судна больших габаритов. Палубу и каюту можно размещать по всему габариту парусника или на части его площади, как это показано на фиг.20 а. Винты судна будут работать синхронно, если их объединить в один механизм. В отличие от традиционных судов здесь паруса вынесены за габариты палубы. Это возможно, потому что одним из основных требований к рассматриваемым лодкам является автоматизм в работе и регулировке углов атаки парусов. В процессе работы воздушного двигателя пользователь должен им только управлять и не вмешиваться в процесс. Здесь следует забыть о том, что паруса в процессе движения настраиваются яхтсменами, матросами, и внедрить принципы автомобильных, самолетных двигателей.
ч
ас
бс
к1
к3
к2
к2
c
2 мин
2 мах
2 мах
ас
Распределение скоростей характерных точек винта опоры «А» проиллюстрировано на фиг.21. Они пропорциональны величинам радиусов их вращения вокруг мгновенного центра скоростей МЦС, точки Х. Этот центр всегда будет находиться на линии ОО, в данном случае - слева. Круг, в пределах которого вращаются кили, разбит пунктирными линиями на четыре одинаковых сектора. Нумерация секторов указана в кружочках. В секторах 1-3 кили находятся в активном состоянии, а в 4-ом - в пассивном. В секторах 1 и 3 радиуса вращения килей больше, чем в секторе 2. Поэтому скорости килей V и V всегда выше скорости V киля, расположенного в секторе 2. Одновременно величина V всегда будет меньше скорости корпуса парусника V, так как радиусы вращения киля 2 находятся в интервале от r до r. А r меньше радиуса вращения точки О. В секторах 1-3
кили располагаются на одинаковой глубине. Следовательно, согласно уравнению Бернулли давление воды на поверхностях килей в секторах 1 и 3 всегда будет меньше, чем давление на поверхностях киля в секторе 2.
Отмеченную разность давлений предлагается использовать для изменения объемов килей. С целью создания плавучести подвижные кили изготавливаются полыми, с возможностью изменения своего объема в процессе вращения винта. Все кили одного винта взаимосвязаны при помощи гидравлических систем, выполненных по принципу масляных домкратов. В позиции фиг.22 а гидравлические клапаны на всех домкратах закрыты, то есть все кили по части давления масла в системе изолированы друг от друга. Габариты подвижных килей зафиксированы при помощи специальных замков. Кили, расположенные в секторах 2 на всех 4-х винтах, имеют максимальный объем, который в сумме достаточен для поддержания плавучести всего судна. Остальные кили имеют минимальный объем и соответственно минимальное гидродинамическое сопротивление при движении.
Далее в процессе вращения винта наступает стадия, изображенная на фиг.22 б. Киль 1 оказывается в пределах заштрихованного сектора 1ш, который расположен в секторе 1 и имеет с ним общий радиус слева. Одновременно киль 2 оказывается в пределах заштрихованного сектора 2ш, который расположен в секторе 2 и имеет с ним общий радиус с нижней стороны рисунка. При заходе килей 1 и 2 в заштрихованные сектора 1ш и 2ш на них открываются гидравлические клапаны и замки фиксаторов. В результате, из-за отмеченной выше разности давлений киль 2 сжимается и его объем становится минимальным, а киль 1 расширяется до максимального объема. После завершения процесса изменения объемов килей гидравлические клапаны и замки фиксаторов опять запираются. Данный процесс должен выполняться только во время нахождения килей 1 и 2 в соответствующих заштрихованных секторах и повторяться через каждые 90° поворота килевого винта в процессе его вращения. Изменения объемов происходят только на килях, которые в данный момент оказываются в заштрихованных секторах 1ш и 2ш. Уточним, сектора 1-4, 1ш и 2ш не вращаются с винтом, их положение на рисунке остается фиксированным.
После ситуации, изображенной на фиг.22 б, в результате поворота винта на 90° в заштрихованных секторах 1ш и 2ш окажутся уже соответственно кили 4 и 1. При этом объем киля 1 будет уменьшаться до минимума, а киля 4 - увеличиваться до максимума. Далее все будет повторяться, меняться будут только номера килей.
Параметры гидравлической системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы данный процесс успевал произойти во время прохождения килями заштрихованных секторов. Таким образом, благодаря разности скоростей килей можно без затрат дополнительной энергии обеспечить плавучесть судна исключительно за счет объема килей, расположенных на каждом винте в секторе 2. Чем больше будет боковая поверхность килей, тем меньший потребуется ход гидравлической системы для достижения требуемого
изменения объема. Вместо силовых гидравлических систем могут использоваться механические, например, в виде системы тросов в оплетке, применяемых на ручных тормозах автомашин и велосипедов. Возможно применение системы рычагов и т.д.
Отмеченные выше варианты систем по изменению объемов (плавучести) основаны на взаимодействии давлений на боковых поверхностях прилегающих килей. Однако возможен автономный вариант, когда требуемые процессы по изменению объема на каждом киле производятся без механического взаимодействия с другим килем. Подобный вариант схематично изображен на фиг.24. Здесь боковые поверхности киля показаны в виде линий, отмеченных цифрами 1 и 2, а между ними зажаты пружины «п». На всех стадиях работы, кроме процесса прохождения заштрихованных секторов, положение поверхностей 1 и 2 зафиксировано замками.
п
1
б
1
б
В заштрихованном секторе 1ш (фиг.24 а) замки фиксаторов размыкаются, в результате чего боковые поверхности киля под воздействием пружин «п» из позиций 1 и 2 перемещаются в позиции 1' и 2'. На этой стадии на боковые поверхности действуют силы F от пружин, стремящиеся расширить объем киля. Одновременно имеются силы от давления воды, равные р·S, стремящиеся, наоборот, зажать и сомкнуть стенки киля. Здесь p есть давление воды, а S - площадь боковой поверхности киля. Пружины «п» должны быть отрегулированы таким образом, чтобы удовлетворялось условие:
x
x
п
п
2
б
В результате боковые стенки переместятся на предельную величину «Δ» до позиций 1' и 2', после чего замки запираются и тем самым фиксируется максимальный объем киля. Для упрощения вопроса, условно принимаем, что после расширения пружин на величину «2•Δ» их сила напряжения F остается неизменной. На этом процессы по увеличению объема киля завершаются и киль из заштрихованного сектора 1ш попадает в сектор 2. После чего киль попадает в сектор 2ш, где необходимо убавить его объем до минимума. Здесь замки фиксаторов освобождаются, и стенки киля оказываются под воздействием разжимающих сил F и сжимающих сил р•S от давления воды (фиг.24 б). Выше отмечалось, что во втором секторе давление воды больше, чем в первом. При этом пружины «п» должны быть отрегулированы таким образом, чтобы удовлетворялось условие
В результате происходит обратный процесс: боковые поверхности киля из позиций 1' и 2' перемещаются в позиции 1 и 2, затем замки фиксаторов запираются, и киль, уже с минимальным объемом вращаясь, перемещается дальше в сектора 3 и 4.
Условия (1) и (2) можно записать одной строкой:
1
2
п
c
В данном варианте тонкость заключается в том, что с изменениями угловой и линейной скоростей винта будут изменяться величины давлений p и р. С ростом этих скоростей давления будут падать и наоборот. Поэтому пружины «п» следует снабдить устройством, которое будет контролировать данные параметры и соответствующим образом изменять силу F в ней. Это обеспечит выполнение условий (3) при различных скоростях V и ω.
Примерные варианты очертания профилей килей изображены на фиг.23. Следует добиваться минимального гидродинамического сопротивления килей для всех стадий изменения их объемов. Конечно, это отдельная, непростая инженерная задача, заслуживающая проведения специальных разработок.
Во время изменения объемов килей происходит перемещение соответствующих объемов воздуха. В секторе 2ш его можно выбрасывать в атмосферу, а затем в секторе 1ш оттуда же забирать обратно. Возможен и закрытый вариант, когда воздух поочередно перемещается из одного киля в другой.
Система с переменным объемом килей получилась сложная, но она обеспечивает существенное снижение скорости плавучей части парусника, на которую передается вес корпуса лодки и винтов, потому что скорость киля в секторе 2 существенно ниже скорости корпуса судна. За счет этого при прочих равных условиях можно добиться значительного снижения гидродинамического сопротивления лодки, которое пропорционально квадрату скорости движущегося объекта. Кроме того, известно, что немалая часть от общего сопротивления воды сосредоточена в носовой части в зонах контакта корпуса лодки с водной поверхностью. При использовании килей с переменным объемом килей корпус судна не будет контактировать с водой, а в отмеченных зонах будет находиться лишь незначительная часть подвижных килей (фиг.25). Так как кили, даже находясь в секторе 2, должны иметь приплюснутый поперечный профиль (см. сечение 1-1 фиг.26) и быть максимально погруженными в воду.
Теперь рассмотрим самый важный вопрос. Достаточна ли величина сил, обусловленных уравнением Бернулли, для изменения объемов килей в процессе прохождения заштрихованных секторов? Для этого введем коэффициент запаса, который предлагается рассчитывать по следующей формуле
ф
т
где F - фактическая сила, получаемая на основании отмеченного уравнения, a F - теоретическая, необходимая для выполнения данной операции по перемещению стенок киля.
Чем больше будет получаться данный коэффициент, тем больше вероятность положительного решения вопроса. Если коэффициент получится равным или менее 1, то данный случай является безнадежным. Если от 1 до 2, то будем считать его спорным, сомнительным. Условимся считать успешным случай, когда коэффициент более 2. При этом полагаем, что полученного запаса по силе, движущей стенки киля, достаточно для преодоления сил трения и прочих, не учтенных в расчетах отрицательных факторов.
Уравнение Бернулли для килей 1 и 2 можно записать в следующем виде
в
где ρ - плотность воды.
Сила, движущая боковые стенки киля, обуславливается разностью давлений
Она найдется из (5):
Фактическая движущая сила найдется по формуле
x
Теоретическую силу, требуемую для движения боковых стенок киля, найдем из условия прохождения ими пути «Δ» под ее воздействием.
где m - масса одной подвижной стенки киля, а λ - угол заштрихованных секторов 1ш и 2ш в градусах, t - промежуток времени, в течение которого киль поворачивается на угол λ, то есть проходит заштрихованный сектор, ω - угловая скорость вращения винта.
т
Из (9) найдем искомую силу F:
Подставив силы из (8) и (10) в (4) и выполнив небольшие упрощения, получим формулу для расчета ключевого коэффициента запаса
к
x
В данную формулу можно ввести максимальный объем киля Q, исключив из него путь «Δ». При этом используем формулу
Q
где K - коэффициент формы профиля киля. По (12) стартовый, минимальный объем киля принят равным нулю.
x
Подставив в(11) Δ из (12) получим:
Полученные формулы показывают, что коэффициент запаса можно поднять путем увеличения площади боковой поверхности киля и уменьшения массы его подвижной стенки. Остальные параметры, входящие в формулы, в меньшей степени зависят от проектировщика. Угол λ по возможностям следует назначать минимальным.
ф
ф
п
ф
x
Изложенная методика является несколько приблизительной и имеет определенные запасы. Она, например, не учитывает изменение силы F от максимума до нуля в процессе прохождения киля по заштрихованному сектору. В рассмотренных формулах фигурирует ее величина на середине пути при повороте на угол 0,5λ. При учете переменной силы F можно несколько сократить длину заштрихованного сектора. Не учитывается также инерционное движение стенки киля. Ведь теоретически, после того, как мы убрали силу F (F) и, допустим, сразу же приложили ее к стенке в обратном направлении, она, прежде чем остановиться, пройдет по инерции дополнительный путь той же длины Δ. По (11) и (13) инерция должна демпфироваться фиксаторами киля. То есть здесь имеются резервы, которые при необходимости в дальнейшем можно использовать.
б
Q
x
к1
к2
в
з
2
Апробация полученных формул на многих вариантах исходных параметров дает положительный результат. Например, для парусника с угловой скоростью винта ω=4,53, массой корпуса 400 кг, боковой стенки подвижного киля - 20 кг, углом λ=15°, S=0,64 м, с боковыми размерами киля 0,8 м×0,8 м, K=0,5, «Δ»=0,15625 м, при этом V=5,7 м/сек, а V=4,18 м/сек, при α=-90° коэффициент К=2,56.
На фиг.27 приведена схема судна с горизонтальным винтом с подъемной силой на подвижных килях.
Данный движитель выполняется по первому частному варианту полезной модели (фиг.19) с тем отличием, что подвижные кили 4 располагаются под углом к горизонтали, так чтобы вектор тяги имел вертикальную составляющую, направленную вверх. В результате подъемная сила на килях будет выполнять две функции: приподымать корпус лодки вверх и способствовать ее движению вперед. Благодаря подъему корпуса сокращаются ее площадь контакта с водой и соответственно потери от сопротивления воды движению судна.
Если кили по разные стороны от корпуса лодки расположить так, чтобы их вертикальные составляющие подъемной силы были направлены в разные стороны по вертикали, то получим крутящий момент, стремящийся опрокинуть судно. Причем величину и направление этого момента можно регулировать, варьируя углами атаки килей. Следовательно, этот силовой фактор можно использовать для противодействия опрокидыванию лодки от бокового напора ветра (фиг.27).
По сути, килевой винт по данному варианту способен создавать вектор тяги, свободный в трех измерениях. Такой винт может перемещать судно в любом направлении пространства. Правда, диапазон перемещений ограничен по вертикали. Вверх можно перемещаться только до момента достижения активными килями поверхности воды, а вниз - до ватерлинии.
Способы автоматического регулирования углов атаки парусов и килей
Одним из основных требований, предъявляемых к конструкциям парусов (килей), является условие, по которому сила, появляющаяся на них под воздействием движущегося потока ветра (воды), должна проходить через ось собственного вращения этого элемента (фиг.28). Тем самым теоретически исключаются потери энергии на вращение парусов и килей вокруг собственных осей.
Возможны три варианта автоматического регулирования углов атаки парусов и килей: компьютерный с электродвигателями, механический и комбинированный.
По первому варианту для настройки требуемых углов атаки применяется компьютер со специальными программами. Они, используя имеющуюся базу данных, должны выдавать соответствующие команды электроприводам, вращающим паруса и кили вокруг своих осей.
По второму варианту эти операции выполняются с помощью механических систем, а по третьему варианту сочетаются компьютер, электропривод и механические системы.
Кроме механизмов вращения парусов суда следует оснастить системами автоматического изменения (сворачивание, разворачивание) их площади. Подобные механизмы уже успешно применяются на практике, они постепенно завоевывают себе популярность.
с
1
1
1
1
Механический способ регулировки углов атаки парусов для судна с горизонтальным винтом представлен на фиг.29. На рассматриваемый момент парусная балка 23 с парусом 2 вращаются против часовой стрелки вокруг оси «О». В свою очередь парус 2 имеет возможность вращаться вокруг собственной оси «O». В этой же точке закреплена подвижная система XOУ, оси которой всегда параллельны соответствующим осям неподвижной системы ХОУ.
д
i
с
i
1
1
1
К остову паруса прикреплен диск 24 с пружиной 25, которая всегда стремится повернуть их против часовой стрелки. Радиус диска 24 равен r. На него намотан трос 26, перекинутый через блок 27 и соединенный с концом штока 28. В его основании, справа, имеется колесико 29, которое пружиной 30 всегда прижато к контуру шаблона 31 и может катиться по его периметру. Другим концом пружина 30 упирается в парусную балку 23. Сила сжатия пружины 30 больше силы натяжения пружины 25. Поэтому если в процессе вращения парусной балки 23 текущий радиус R качения колесика 29 уменьшается, то под воздействием пружины 30 оно относительно балки 23 перемещается в сторону точки «О». При этом трос 26 вращает диск 24 и парус 2 по часовой стрелке. И наоборот, когда радиус R растет, то пружина 30 под воздействием штока 28 и колесика 29 сжимается. Вследствие этого освобождается часть троса 26, которую пружина 25 наматывает на диск 24, вращая его вместе с парусом 2 против часовой стрелки. В положении, когда угол паруса в системе XOУ окажется равным 0° (на рисунке он равен 166,8°), конец троса 26, то есть точка его крепления к диску 24, должен быть расположенным по рисунку левее от точки отрыва «т.о.». Это условие обеспечит тросу 26 в любой ситуации ориентацию по касательной к окружности диска 24.
В изложенной системе пружину 25, трос 26 и блок 27 можно заменить жесткой линейкой, которая с диском 24 будет контактировать посредством зубчатой передачи. Возможны другие варианты.
Форма шаблона 26 получается расчетным путем в зависимости от исходных параметров судна.
в
На фиг.30 а-и изображены шаблоны, формы которых получены для случаев, когда угол истинного ветра изменяется с шагом примерно 22° в интервале от -90° до +90°. Контуры шаблонов имеют несколько ломаное очертание, потому что он построен по отдельным точкам. Из подобных шаблонов, построенных с более мелким шагом угла α, следует собрать один единый элемент. Сборка осуществляется путем их нанизывания на вертикальную
с
с
с
в
ось в точках «О», обеспечивая при этом параллельность осей ОХ и ОУ. Шаблоны следует расположить в горизонтальных плоскостях на равных расстояниях друг от друга и объединить их одной поверхностью, которая должна касаться и огибать каждый шаблон по всему периметру. Фигура, полученная таким образом, изображена на фиг.31 - вид со стороны отрицательных значений оси ОХ. Точки «а» и «б» на фигуре отмечены кружочками. По торцам, сверху и снизу, соответственно для углов ветра α -90° и +90°, шаблоны продублированы. Это сделано с целью «окантовки» торцов.
с
с
с
с
с
в
Далее полученную фигуру следует расположить в центре вращения горизонтального винта, совместив ее ось «ОО» с осью «О» парусника. При этом колесико 29 должно быть прижато пружиной 30 к боковой поверхности фигуры. Движитель должен обладать механизмом перемещения фигуры по вертикали вдоль оси «ОО» в зависимости от направления истинного ветра. Движение фигуры следует производить таким образом, чтобы при любом значении угла α в одной горизонтальной плоскости с колесиком 29 оказывался шаблон, соответствующий данному углу ветра.
в
Полученная фигура вместе с механизмом, который соответствующим образом перемещает его по вертикали, названа регулятором парусов. В процессе работы движителя он не вращается, а только в зависимости от угла α перемещается по вертикали.
Механизм на фиг.29 изображен для одного из парусов. Остальные паруса оснащаются аналогичными механизмами при едином регуляторе парусов. При этом по его боковым поверхностям должны катиться четыре колесика 29 (по одному механизму на каждый парус) со сдвигом относительно друг друга на 90°. Как результат, при любом направлении ветра все паруса судна всегда будут ориентированы так, как это продиктовано расчетом.
в
Аналогичным образом проектируются механизмы для килей, а также для судов по другим вариантам исполнения движителей. На фиг.30 к изображен шаблон, построенный для киля лодки с обычным горизонтальным винтом, при α=-90°.
в
Для горизонтального маятника, работающего по принципу байдарки, при α=68° формы шаблонов регуляторов парусов даны на фиг.32 (парус 1) и фиг.33 (парус 2), а шаблон килей - на фиг.34.
Сравнение результатов скоростей парусников
c,
в
Результаты расчетов линейных скоростей V изложенных выше вариантов парусников, представлены для сравнения в прилагаемой таблице. Угол истинного ветра α варьировался в интервале от -90° до +90°. В качестве главного аналога для сравнения принята обычная лодка (ОЛ). Все парусники имеют одинаковую конфигурацию исходных параметров.
д.макс.
Большинство лодок рассчитывались при нескольких значениях величины максимально допустимой реакции дрейфа (R). В таблице приведены результаты с максимальным и минимальным значением этого параметра.
ТаблицаСкорости судов сравниваемых вариантов (V<sub>с</sub>, м/сек)
Варианты парусников
Угол ветра α<sub>в</sub>
Средний процент
№№ п.п.
Наименования
Макс.Rд, кгс
-90
-68
-45
-23
0
22
45
67
90
При миним. R<sub>д.макс.</sub>
При максим. R<sub>д.макс.</sub>
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 1
Вариант 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
Парусник ОЛ
132
4,03
5,57
6,90
7,74
8,13
7,59
6,39
5,24
4,84
-
-
-
-
2
Парусник по варианту 1
95
5,65
4,96
5,35
7,03
7,67
7,30
6,17
5,45
6,05
1,5
7,7
2а
40,2
-11,0
-22,5
-9,2
-5,7
-3,8
-3,4
4,0
25,0
3
Вертикальный маятник
290
9,33
5,57
6,90
7,74
8,13
7,59
6,39
5,24
7,65
21,1
3а
131,5
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
58,1
4
Горизонтальный маятник
350
7,60
7,53
7,79
7,86
7,74
7,50
7,27
6,91
7,01
24,7
25,4
4а
88,6
35,2
12,9
1,6
-4,8
-1,2
13,8
31,9
44,8
5
100
4,91
5,51
6,45
6,97
7,23
7,50
7,27
6,91
7,01
9,2
12,5
5а
21,8
-1,1
-6,5
-9,9
-11,1
-1,2
13,8
31,9
44,8
6
2 буксира
135
5,55
5,28
5,69
7,03
7,72
7,29
6,24
5,77
5,68
2,4
7,2
6а
37,7
-5,2
-17,5
-9,2
-5,0
-4,0
-2,3
10,1
17,4
7
1 буксир
250
5,61
5,62
6,90
7,74
8,13
7,59
6,39
6,26
6,08
9,5
7а
39,2
0,8
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
19,5
25,6
8
Принцип байдарки
300
8,23
8,48
8,85
9,05
9,05
8,67
7,88
7,19
7,36
37,8
8а
104,2
52,2
28,3
16,9
11,3
14,2
23,3
37,2
52,1
9
100
5,38
6,12
6,94
7,99
8,56
8,53
7,88
7,19
7,36
19,7
9а
33,5
9,9
0,6
3,2
5,3
12,4
23,3
37,2
52,1
Продолжение таблицы
Варианты парусников
Угол ветра α<sub>в</sub>
Средний процент
№№ п.п.
Наименования
Макс. Rд, кгс
-90
-68
-45
-23
0
22
45
67
90
При миним. R<sub>д.макс.</sub>
При максим. R<sub>д.макс.</sub>
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 1
Вариант 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
Парусник ОЛ
132
4,03
5,57
6,90
7,74
8,13
7,59
6,39
5,24
4,84
-
-
-
-
10
Вертикальный винт
220
6,9
7,4
7,7
7,7
7,6
7,4
6,6
7,9
7,7
24,4
12,2
10а
72,2
32,7
11,3
-0,1
-6,5
-2,6
3,3
50,0
59,3
Горизонтальный винт
12,2
14,3
11
обычный
210
5,98
6,12
6,54
7,18
7,84
7,41
6,96
6,46
6,67
12а
48,4
9,9
-5,2
-7,2
-3,6
-2,4
8,9
23,3
37,8
13
100
5,34
5,68
6,47
7,18
7,84
7,41
6,96
6,46
6,67
9,5
11,6
13а
32,5
2,0
-6,2
-7,2
-3,6
-2,4
8,9
23,3
37,8
14
переменный объем киля
220
7,44
7,73
8,62
9,72
10,48
10,24
9,19
7,98
6,94
41,9
14а
84,6
38,8
24,9
25,6
28,9
34,9
43,8
52,3
43,4
15
100
6,51
7,10
8,53
9,72
10,48
10,24
9,19
7,98
6,94
37,9
15а
61,5
27,5
23,6
25,6
28,9
34,9
43,8
52,3
43,4
16
подъемная сила на килях
210
6,42
6,77
7,65
12,36
13,47
12,53
9,72
7,23
6,30
44,7
16а
59,3
21,5
10,9
59,7
65,7
65,1
52,1
38,0
30,2
17
100
5,36
5,72
6,56
9,40
9,60
9,80
7,47
6,82
6,30
19,6
20,2
17а
33,0
2,7
-4,9
21,4
18,1
29,1
16,9
30,2
30,2
Примечание - в строках 3 и 6 (один буксир) данные при углах ветра от -45 до +45 градусов взяты у лодки ОЛ.
в
c
д.макс.
в
c
c
По каждому виду парусника (кроме ОЛ) в графах 4-12 при текущем значении угла α даются две строки данных: первая - это ее скорость V, a вторая, с буквой «а» при номере строки - процентное превышение или снижение этой скорости относительно скорости ОЛ. Например, строка 8, принцип байдарки, при R=300 кгс, α=-23°, V=9,05 м/сек. При том же направлении истинного ветра у ОЛ скорость V=7,74 м/сек. Превышение скорости новой техники по сравнению с прототипом составляет 16,9%, что записано в строке 8а под числом 9,05.
в
Максимальные превышения скорости предложенных судов наблюдаются при α=-90°. Для вертикального маятника оно составляет 131,5%, а для горизонтального - 88,6%.
в
в
c
Движитель по варианту «вертикальный маятник» (строка 3) может успешно работать только при α=±90°. В остальных случаях он будет работать благополучно исключительно по принципу ОЛ. В графах 5-11 его скорость приравнена к скорости главного аналога (ОЛ), а процентное соотношение равно нулю. Похожая история имеет место у судна с 1 буксиром (строка 7) в интервале, когда α меняется от -45 до +45°. В таблице значения скорости V для отмеченных случаев напечатаны курсивным шрифтом с подчеркиванием.
д.макс.
д.макс
В графах 13 и 14 даются средние проценты для вариантов, рассчитанных при минимальном значении R, а в графах 15 и 16 - при максимальном R. Средние проценты рассчитывались как средние арифметические значения процентов по всей строке от графы 4 до графы 12. Причем расчеты велись по двум вариантам. По варианту 1 средний процент рассчитывался как сумма всех процентов, напечатанных в соответствующей строке (всего девять значений), деленная на 9. При варианте 2 принимали, что если скорость рассматриваемого парусника меньше, чем у ОЛ, то его движитель переводится в режим работы обычной парусной лодки. Поэтому у одного и того же движителя средние проценты по варианту 2 оказались выше, чем по варианту 1. Конечно, это относится только к тем видам парусников, у которых в строке процентов имеются отрицательные результаты. При отсутствии последних второй вариант из-за ненадобности просто не рассчитывался.
д.макс.
в
д.макс.
Одним из основных выводов сравнительного анализа является: скорость парусника существенным образом зависит от величины R в случаях, когда угол α находится в районе -90°. Это означает, что по возможности следует стремиться проектировать подвижные кили с максимальным параметром R и минимальным коэффициентом лобового сопротивления.
Сравнение показывает, что лучшими лодками оказались парусники трех видов: с горизонтальным винтом, по принципу байдарки и горизонтальным маятником. Из рассмотренных видов движителей с горизонтальным винтом наилучшими оказались наиболее сложные в исполнении: с переменным объемом килей и подъемной силой на килях.
д.макс.
с
д.макс.
Для трех лучших видов парусников по первому варианту расчета при минимальном значении R и традиционной лодки ОЛ построены графики зависимости скорости V от курса в полярных координатах. Они представлены на фиг.35. Аналогичным образом построены графики для трех лучших видов парусников по второму варианту расчета, тоже при минимальном значении R и традиционной лодки ОЛ. Эти графики представлены на фиг.36. Напомним, участки кривых ОЛ при курсах от -55° до -125° подразумевают, что здесь обычная лодка плывет галсами. На графиках шкала скоростей обозначена концентрическими окружностями, а величины скоростей указаны с двумя нулями после точки. Направления движения парусников отмечены радиальными линиями с указанием курсов в градусах. Фиг.35 и 36 наглядно демонстрируют преимущества предложенных движителей.
в
в
Таким образом, предложенные конструкции парусников по скорости превосходят традиционный парусник в среднем на 10%-40%, а при движении против ветра (α=-90°) некоторые из них - примерно в два раза. Скорость ОЛ при α=-90° носит символический характер, так как он подразумевает траекторию движения галсами. Предложенные парусники по этому курсу ходят напрямую.