На фоне многовековой истории паруса, за последние десятилетия достигнут небывалый прогресс в проектировании и постройке парусных яхт, во многом благодаря применению компьютерных технологий и научных достижений космического века в этой, казалось бы, консервативной области. Сегодня конструктор яхты координирует ход проектных работ, а на отдельных этапах привлекаются узкие специалисты из смежных отраслей, обладающие необходимыми знаниями, экспериментальной базой и программным обеспечением.
Проектирование гоночных яхт - это своего рода соревнование, и многие регаты выигрываются еще "на чертежной доске". Толчок развитию парусных судов дают, в первую очередь, престижные кампании гонок на Кубок Америки, Volvo Ocean (бывший WRWR) и т.д., финансируемые солидными спонсорами или "богатыми сумасбродами", которые ради победы готовы вложить немалые средства в научные исследования и разработки. В то же время нельзя отрицать и существование эффективных "малобюджетных" методов проектирования.

Основные характеристики яхты

С точки зрения конструктора яхт, проект любого парусного судна - это взаимосвязь нескольких первостепенных характеристик, определяющих его ходовые качества: длины L, водоизмещения DSPL, парусности SA и начального восстанавливающего момента RM. Их безразмерные соотношения:

- относительная длина, характеризует гидродинамическое сопротивление корпуса, и

- относительная энерговооруженность парусами, характеризует располагаемую "мощность" парусов.

Начальный восстанавливающий момент RM характеризует возможность реализовать эту "мощность" - т.е. способность к несению парусов, и в целом определяет тип парусного судна и способ противодействия крену: швертбот с разными видами откренивания, килевая яхта с постоянным либо перемещаемым балластом, многокорпусное судно и т.д.
Перечисленные выше характеристики обусловливают концепцию проекта и подлежат обоснованию в первую очередь. Такие параметры, как ширина BWL, осадка корпусом Tс, коэффициент продольной полноты CP, абсцисса центра величины LCB, удлинение киля, руля и парусов и т.д. - являются менее значимыми и уточняются на последующих этапах [4].

Подходы к обоснованию характеристик

Для гоночной яхты требуется "вписаться" в класс, обеспечить выгодный обмер по определенной системе и выдержать требования к обитаемости и оборудованию. Изначально системы обмера создаются для классификации яхт и уравнивания шансов на победу. Каждая обмерная формула или система - IOR, IMS, IRM и т.д. - накладывает собственные ограничения и диктует архитектуру яхт и соотношения размерений, поощряя или штрафуя те или иные технические решения. В качестве примера, на рис.1 показаны базовые величины для морских гоночных яхт по новым правилам IRM (IR2000). Зачастую на данном этапе задача конструктора превращается в поиск "лазеек" в обмерной системе, чтобы "заставить яхту ходить быстрее, чем думают правила"; чем сложнее и изощреннее обмер, тем больше здесь скрытых и подчас неожиданных возможностей.

Рис.1 Схема обмера и базовые величины для морских гоночных яхт по правилам IRM (кликните рисунок, чтобы увеличить).

Системы обмера, тем не менее, позволяют в пределах класса "поиграть" с основными характеристиками, и подобрать их по критерию наилучших ходовых качеств: гоночная яхта "программируется" на конкретные условия соревнований. Общий подход заключается в генерировании на основе правил обмера нескольких вариантов проекта, из которых в дальнейшем предстоит выбрать оптимальный, обеспечивающий победу в гонке на заданной дистанции и при заданных метеоусловиях.

Для круизной яхты выбор основных характеристик осуществляется "от обитаемости": на стадии эскизирования решается задача комфортного размещения пассажиров и удобств в мореходном корпусе экономичных размерений.

Автоматизированное проектирование формы корпуса и программное обеспечение

Проектирование формы корпуса яхты с использованием систем CAD (Computer Aided Design) имеет неоспоримые преимущества и позволяет решать следующие задачи [2]:

• Построение трехмерной модели и сглаживание поверхности корпуса корпуса. Наибольшее распространение получили сплайн - поверхности NURB (Non Uniform Rational B-spline).
• Вывод проекций теоретического чертежа, таблицы ординат и плазовых шаблонов.
• Построение разверток листов наружной обшивки для остроскулых судов.
• Встроенные возможности для расчетов плавучести и остойчивости.
• Визуализация - наглядное представление формы корпуса.
• Обмен данными с другими CAD/CAM-системами и расчетными программами: LPP, CFD, FEM.

Анализ мирового опыта позволяет выделить наиболее популярные судостроительные и заимствованные из других отраслей CAD, нашедшие применение для проектирования корпусов яхт: AutoSHIP, Maxsurf, MultiSurf, Prolines 98, ProSurf, ShipShape, FastShip и некоторые другие. Специально для проектирования остроскулых фанерных и металлических корпусов предназначены системы Plyboat, BtDzn, Carene 40/50, Carlson Design и т.д. Существуют отдельные программы для проектирования формы яхтенных килей: LOFT97, FOIL97, WINGS. Успешно используются также CAD-системы общего назначения: AutoCAD (и специализированные приложения Baseline II, Atalanta), Pro/Engineer, Solid Edge, 3D Eye и др.
К приведенному списку "яхтенного софта" можно добавить также комплекс YachtCAD, [7] разработанный под руководством автора статьи и имеющий аналогичные возможности. Полученные с применением YachtCAD трехмерная модель и теоретический чертеж яхты "Зарница 1250" показаны на рис.2.

Рис.2 Трехмерная модель корпуса яхты и теоретический чертеж, построенные в CAD-системе

Гидро- и аэродинамика элементов яхты

Знание гидро- и аэродинамических характеристик отдельных элементов быстроходной яхты необходимо для моделирования ее движения и оптимизации проекта по критерию ходовых качеств; при проектировании гидроаэродинамика заслуженно рассматривается как приоритетное направление.
Особенность движения парусных яхт заключается в том, что они ходят с углами крена и дрейфа, вследствие чего полное сопротивление яхты принято представлять как [1, 3]:

где Ru - "прямое" (upright) сопротивление при движении без крена и дрейфа, характерное для традиционных типов судов; Ri и Rh - индуктивное и креновое сопротивление; Raw - дополнительное сопротивление на волнении.
Основная "интрига" гидродинамики яхты - в уменьшении сопротивления корпуса и выступающих частей (киля и руля), при одновременном обеспечении остойчивости и противодействия дрейфу. Поэтому помимо сопротивления, интерес представляет поперечная сила, создаваемая в основном на киле и руле, а также на корпусе. Используется как раздельное рассмотрение корпуса и выступающих частей, так и совместное - для учета их взаимодействия.

Гидродинамика корпуса
Основные методы, применяемые в исследовании гидродинамики корпуса:

Систематические серии
Самый доступный, но наименее точный метод определения гидродинамических характеристик корпуса - использование LPP (Lines Processing Program). Эта компьютерная программа предназначена для представления формы корпуса, расчетов гидростатики и оценки гидродинамики по результатам испытаний систематических серий. В настоящее время наибольшее распространение получила основанная в 1970-х систематическая серия из 39 моделей корпусов яхт Дэльфтского Университета (Нидерланды) [1]. На начальных этапах проектирования выполняется параметрический анализ формы корпуса и намечаются перспективные направления дальнейшего конструкторского поиска.

Модельные испытания в опытовых бассейнах
Если в 1950-60-е годы испытываемые в бассейнах 1…2 -метровые модели яхт были подвержены сильному влиянию масштабного эффекта, то современные модели имеют длину 3…5 м и даже до 8 м и водоизмещение до нескольких тонн, что позволяет получить достоверные результаты. Для таких испытаний длина опытового бассейна должна составлять 100…400 м. Дороговизна модельных испытаний яхт обусловлена также необходимостью использовать специальное оборудование, позволяющее задавать движение модели с креном и дрейфом (отсюда и увеличенное число пробегов) и регистрировать сопротивление, поперечную силу и момент рыскания трехкомпонентным датчиком. Как правило, модельные испытания проводятся для ответственных проектов на завершающей стадии, и ограничиваются 1…2 моделями с изменяемыми обводами.

Численное моделирование динамики жидкости (CFD)
CFD (Computer Fluid Dynamics) это группа методов расчета гидро- и аэродинамических характеристик, основанных на компьютерном моделировании свойств жидкости. В настоящее время для исследования сопротивления корпуса нашли применение два основных типа CFD: для моделирования вязкостного сопротивления (решение уравнений Навье-Стокса и теория пограничного слоя) и волнового сопротивления.
Преимущества CFD - в относительной дешевизне и доступности; они позволяют расчетным путем получить полную картину обтекания тела, удобны для сопоставления вариантов и задач оптимизации. Недостатки - сравнительно небольшой опыт применения и возможные погрешности, в результате чего требуется осуществлять "привязку" расчетов к экспериментальным данным для каждого нового типа судов и объектов. Поэтому зачастую выполнение расчетов поручаются самим создателям программ; из наиболее популярных в яхтостроении CFD можно назвать SPLASH, AeroLogic, ShipFlow и т.д.

Рис.3 Пример применения CFD для расчета гидродинамики яхтенного киля

Гидродинамика выступающих частей
Киль и руль яхты представляют собой несущие поверхности - консольные гидрокрылья, для их исследования и расчетов широко привлекаются методы теории крыла. Учитывается взаимодействие выступающих частей с корпусом яхты: влияние корпуса на гидродинамические характеристики эквивалентно присутствию твердого экрана, что вызывает рост эффективного удлинения по сравнению с геометрическим. Близость или пересечение свободной поверхности, в свою очередь, снижает эффективность крыльев. Все это заставляет применять для их исследования весь комплекс средств: CFD-методы, испытания как в аэродинамических трубах, так и в бассейнах.
Форма и взаимное расположение выступающих частей отличается многообразием. Киль и руль современной гоночной яхты - это узкие профилированные плавники с высоким удлинением; киль может снабжаться на задней кромке триммером (закрылком), а на нижней кромке бульбом и крыльями в разных конфигурациях. Поэтому при проектировании и доводке уже построенной гоночной яхты рассматриваются и испытываются целые серии килей.

Ходовые качества яхты.

Предсказание скорости яхты (VPP)
Гидро- и аэродинамические характеристики отдельных элементов используются в компьютерных программах предсказания скорости яхты VPP (Velocity Prediction Program). Общий принцип работы многочисленных версий VPP заключается в решении системы алгебраических уравнений, описывающих установившееся движение яхты под действием равновесия гидродинамических и аэродинамических сил при заданных курсе относительно истинного ветра y и его скорости [3, 6]:

Неизвестными в этих уравнениях являются скорость яхты v, углы дрейфа и крена; по результатам расчета строятся полярные диаграммы скоростей яхты, дающие полное представление о ее ходовых качествах в диапазоне курсов и скоростей ветра (см. рис).

Рис.4 Полярные диаграммы скоростей яхты класса IRM 12.5 м

В настоящее время VPP является не только незаменимым инструментом при проектировании и оптимизации проектов, но также применяются для обмера яхт по системе IMS и решения задач судовождения.

Компьютерное моделирование гонки (RMP)
Для оценки времени прохождения дистанции используется RMP (Race Modelling Program), в которую вводится формируемая на основе вероятностного подхода дистанция: каждому курсу относительно ветра и каждой скорости ветра назначается вероятность, исходя из данных многолетних наблюдений и известного распределения курсов.

Аналогично учитываются параметры волнения; наличие течений приводит к фактическому удлинению одних и укорочению других этапов.
Умножив скорости с поляры v на соответствующие вероятности p курсов y и скоростей ветра во всем их диапазоне, можно после их суммирования получить среднюю скорость и определить время t прохождения предполагаемой дистанции S:

Например, короткая гонка по треугольной Олимпийской дистанции состоит из 55% лавировки, 26% бакштага и 19% фордевинда; скорость ветра назначается как наиболее вероятная. В маршрутных гонках доля полных курсов выше - до 80% и более. Таким образом, используя VPP и RMP и определяя время прохождения дистанции t, обоснованно выбираются характеристики проектируемой яхты.

"Масштабное плавание"
Так можно перевести английское "scale sailing", означающее полунатурные испытания самоходных моделей яхт. Настоящий "бум" этого метода пришелся на кампанию Кубка Америки 1992 года, когда его использовали практически все участвующие синдикаты. Построить и испытать такую 4…7-метровую самоходную управляемую яхту-модель несомненно дешевле и быстрее, чем настоящую яхту.

Натурные испытания яхт
Анализ испытаний яхт - наиболее полный источник информации о ходовых качествах и работоспособности конструкций, необходимый как для совершенствования уже построенной яхты, так и для создания новых проектов и разработки VPP. Метод натурных испытаний часто используется для окончательного выбора формы и расположения выступающих частей, с учетом их работы в условиях качки судна: киль набирается из блоков, собираемых наподобие детского конструктора, и испытывается в разных комбинациях.
При натурных пробегах используются приборы, объединенные в интегрированную систему через бортовой компьютер: от вертушечного лага и анемометра до GPS и полицейского радара. Для контроля профиля парусов применяются нанесенные на них специальные полосы, форма которых фиксируется видеокамерами.

Конструкция и прочность корпуса и парусного вооружения

Задача конструкторов несколько облегчается тем, что для морских гоночных яхт категорий 0, 1 и 2 спецправила ORC требуют соответствия конструкции правилам ABS (American Bureau of Shipping) или RCD (Recreational Craft Directive). Так, автором статьи разработана программа, использующая чтение графической базы данных трехмерного чертежа для расчета конструкции (по ABS), весовых и инерционных характеристик корпуса.
Недавние случаи разрушения яхты "Young America", катамарана "Team Philips" и т.д. заставляют уделять особое внимание прочности и надежности сверхлегких скоростных экстремальных судов, построенных из современных композиционных материалов и испытывающих нагрузки, близкие к критическим. Например, для океанских яхт класса OPEN60 в подверженных слемингу районах корпуса установленные из практики расчетные напоры для обшивки, стрингеров и рамных шпангоутов составляют 30, 15 и 6 м соответственно. В борьбе за снижение веса конструкции, прочностные расчеты корпуса и вооружения гоночных яхт выполняются с использованием метода конечных элементов FEM (Finite Elements Method). Исследования свойств армированных пластиков и FEM-расчеты выполняются с привлечением компаний соответствующего профиля.

Рис.6 Трехмерный вид яхты класса IRM 12.5 м "Зарница 1250"

Вопросы дизайна

Высокая конкуренция на рынке плавсредств для спорта и отдыха предъявляет особые требования к дизайну и художественному проектированию этой специфической судостроительной продукции, ориентированной на массового потребителя. Покупатель яхты или катера зачастую недостаточно подготовлен в "технических вопросах", и на передний план выходит критерий внешней привлекательности судна.
На стадии дизайнерских проработок и представления проекта потенциальному заказчику незаменимо фотореалистичное изображение - компьютерная визуализация, полученная с использованием тонирования трехмерной модели. В качестве примера на рис.6 показана "трехмерка" яхты класса IRM 12.5 м (проект автора статьи).

Говоря о дальнейших перспективах яхтостроения, следует отметить развитие средств активного противодействия крену; резервы скрыты и в совершенствование парусного вооружения [5]. Требует внимания надежность конструкций: многие гонки проигрываются из-за поломок. Существуют "белые пятна" и в динамике яхты: анализ показывает, что, например, в матчевой гонке яхта проходит в нестационарном режиме (торможение, поворот, разгон) значительную часть дистанции. Автором статьи разработана и совершенствуется компьютерная программа SCD (Sail Craft Dynamics), позволяющая моделировать маневрирование яхты, проводятся экспериментальные работы по исследованию нестационарных гидродинамических характеристик.
И все же, как и сто лет назад, проектирование яхт нуждается в творческом подходе и во многом остается искусством, а высокотехнологичные проекты вовсе не гарантируют победу. Конструктор яхты руководствуется не только расчетом, а помимо всего опытом и интуицией, его мастерство - в правильном применении и интерпретации достижений технологии. В реальности задача ученых, как правило, сводится к количественному усовершенствованию параметров яхт, отработке, обкатке деталей - и это обеспечивает требуемый результат… до появления качественно новых идей.

Литература

1. Gerritsma J., Keuning J.A., Versluis A. Sailing Yacht Performance in Calm Water and in Waves. // Eleventh Chesapeake Sailing Yacht Symposium. 1993. pp.233-246.
2. Hollister S.M. The Design Spiral for Computer Aided Boat Design. 1994.
3. Larsson L., Eliasson R. Principles of Yacht Design. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
4. Mills M. The State of Yacht Design. // Yachts & Yachting, June, 1997.
5. Marchaj C.A. Sail Performance. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
6. Король И.Э., Назаров А.Г. Практические расчеты ходовых качеств парусных яхт. // Вестник СевГТУ, Вып.6. Севастополь, 1997. С.32-36.
7. Назаров А.Г. Вопросы адаптации и применения CAD-систем для автоматизированного проектирования малотоннажных судов // Моделирование и исследование сложных систем. Труды международной научно-технической конференции. Том 1. Москва: МГАПИ, 2000. С.99-101.