Одна из важнейших проблем парусных судов — их безопасность. В это понятие мы включаем остойчивость, непотопляемость и прочность.

Остойчивость парусных судов всегда вызывала большую озабоченность, потому что, как говорил Антуан де Сент-Экзюпери, только милостью ветра парусники свободны в море. Ветер — их стихия, только с ветром они живут, и чем сильнее ветер, тем больше их скорость.

Поскольку у парусных судов паруса расположены высоко, для противодействия большому кренящему моменту требуется предусматривать специальные средства, увеличивающие восстанавливающий момент и уменьшающие кренящий.

Остойчивость парусных судов в значительной мере зависит от архитектуры корпуса. Однокорпусное судно должно обязательно иметь внутренний или внешний балласт, который отнимает полезный объем и часть грузоподъемности судна. При внешнем балласте не теряется внутренний объем, но растет осадка, например, в случае яхтенных обводов. Более предпочтительны многокорпусные суда-катамараны и тримараны; при небольшой осадке за счет разноса плавучести корпусов создается большая начальная остойчивость, позволяющая выдерживать значительную силу ветра. Но сильно возрастает габаритная ширина судна.

Из трех основных типов судов корпуса с яхтенными обводами как при ровном ветре, так и при шквале имеют наивысшую остойчивость, катамараны — более высокую начальную остойчивость, а обычное однокорпусное судно — наименьшую остойчивость.

Рис. 1. Основные архитектурные типы современных парусных судов:
а — одно-корпусное судно с внутренним балластом; б — безбалластное двухкорпусное судно-катамаран; в — то же, с внешним балластом.

Опыт показал, что в равных условиях парусные тримараны оказываются менее остойчивыми при действии шквала и волнения, чем катамараны. Исследования Г. Маерса и Ю. С. Крючкова подтвердили это. На рис. 3 показаны области опасных и безопасных сочетаний ветра и волнения, полученные в работе. Как видим, тримараны более подвержены опрокидыванию, чем катамараны, что объясняется большим моментом инерции их корпуса и более высокой угловой скоростью при подбрасывании центрального корпуса волной. Из выполненных расчетов следует: большие крейсерские тримараны опрокидываются при шквале и волнении весьма стремительно — за 3—7 с, вследствие чего ни капитан, ни рулевой не успевают чем-либо противодействовать крену.

Рис. 2. Влияние архитектурного типа корпуса на остойчивость парусных судов:
а — статическая остойчивость; б — динамическая остойчивость;

Указанные особенности относятся к катамаранам и тримаранам длиной до 20—25 м и должны приниматься во внимание при создании туристских парусных судов небольших размеров. Учитывая законы подобия, можно утверждать, что при увеличении размеров катамаранов и тримаранов в 5—7 раз их остойчивость станет настолько высокой, что вероятность опрокидывания многокорпусных транспортных парусных судов при совместном действии волнения и шквала станет практически нулевой.

Один из самых прямых и простых путей обеспечения безопасности парусного судна — уменьшение высоты его парусности, например, применение многомачтового или параллельного парусного вооружения или установка «этажерки» — полипланной системы крыльев.

Для обеспечения гарантированной базопасности парусного судна в случае внезапного шквала необходимо автоматическое обезветривание парусов: травление мягких парусов или разворот по ветру жестких парусов-крыльев («флюгерное положение»).

С этой целью можно использовать:
— мгновенное сбрасывание давления ветра на паруса путем введения «слабого звена» в гика-шкоты;
— стравливание гика-шкотов под действием «лишнего» давления ветра или, если крен судна превысит заданный безопасный угол;
— автоматический наклон мачты, имеющей подпружиненные ванты с предварительной затяжкой.

Рис. 3. Области безопасных и опасных сочетаний скорости ветра V и вертикальной скорости волны
1 — катамаран; 2 — тримаран.

Рис. 4. Основные пути снижения высоты парусности:
а — многомачтовое парусное вооружение; б — параллельное парусное вооружение; в — полиплан» ная система крыльев («этажерка»).

Проблема остойчивости ставится нами, как проблема создания всепогодного, неопрокидывающегося парусного судна с полной или частичной компенсацией кренящего момента. Решение ее может основываться на гравитационных, аэродинамических или гидродинамических принципах.

Статический крен при ровном ветре и длительном ходе одним галсом частично компенсируется приемом воды в наветренную балластную цистерну и перекачкой ее в цистерну противоположного борта при смене галса. Такие системы разработаны и используются в настоящее время на транспортных судах. Конечно, балластные цистерны непригодны при действии шквала, когда требуется быстродействие восстанавливающего момента.

Рис. 5. Автоматическое разрывное устройство для быстрого обезветривайия парусов (зарубежный патент).

Рис. 6. Автоматическое устройство для травления парусов (А. О. Эглайс, В. О. Эглайс).
1 — падающий груз; 2 — натяжной трос; 3 — собачка; 4 — храповое колесо; 5 — гика-шкот; бпред — предельный угол крена.

Рис. 7. Обезветривание парусов наклоном мачты при превышении заданной силы ветра (зарубежные патенты):
а — рычагом; б — силой ветра; ванты подпружинены.

Более целесообразны аэродинамическая или гидродинамическая компенсации, суть которых сводится к созданию такой конструкции судна и парусов, чтобы ликвидировать плечо кренящего момента, что возможно только, если все действующие силы пересекаются в одной точке — центре тяжести (ЦТ).

Этого можно достичь:
— наклонной установкой парусов или крыльев (жесткой или регулируемой), которая уменьшает плечо кренящего момента или устраняет его полностью (системы Н. Херрешофа — «Несущий змей», X. Баркла — «Трискаф»;
— наклонной установкой специальных жестких подводных крыльев с постоянным углом атаки, создающих откренивающий момент;
— установкой поворотных, убирающихся в ниши корпуса подводных крыльев-элеронов с регулируемым углом атаки, автоматически изменяющимся в зависимости от заданного предельного угла крена, или буксируемых гидропланов-заглубителей, предложенных С. А. Калининым.
— комбинированной системой, состоящей из наклонных парусов-крыльев и наклонных подводных крыльев, например «Аэрогидро-крыло» Б. Смита.

Рис. 8. Аэрогидродинамическая компенсация кренящего момента ветра: а — «Несущий змей» Н. Херрешофа; б — «Трискаф» X. Баркла; в —- тримаран с наклонными подводными крыльями; г — «Пленсейл» Дж, Уокера; д — «Аэрогидрокрыло» Б, Смита,

Рис. 9. Противокреновые подводные крылья: а — управляемые крылья-элероны (ЛИСЭД НКИ, Ю. С. Крючков, Ю. П. Синько); б — буксируемый гидроплан-заглубитель (С. А. Калинин).
1 — судно; 2 — парус; 3 — трос; 4 » заглубитель.

Рис. 10. Аварийные устройства для предотвращения опрокидывания судов вверх килем:
а — на топе мачты; б — на краспицах; в — на вантах.

При проработке остойчивости необходимо предусматривать ограничение свободного перемещения перевозимого жидкого или насыпного груза, для чего целесообразна установка продольных переборок в грузовых трюмах и танках.

Непотопляемость современных судов с большими грузовыми трюмами обеспечивается рациональной разбивкой их на отсеки поперечными и продольными переборками. Очевидно, аналогично будут решаться и вопросы непотопляемости парусных судов. Но у них, в силу специфики парусного движителя, более вероятна потеря остойчивости ранее, чем будет исчерпан запас плавучести. Особенно неприятен переворот многокорпусных судов, которые сразу же опрокидываются вверх килем (вниз мачтами). Чтобы восприпятствовать такому перевороту, разрабатываются аварийные устройства, обеспечивающие фиксацию накренившегося судна под каким-то углом. Для этого используются различные мягкие оболочки, укрепленные на топе мачт, у краспиц, на вантах, на бортах и в других местах, которые автоматически надуваются сжатым воздухом из баллонов при достижении судном опасного угла крена; к таким устройствам относится и разработка Ю. С. Крючкова и Ю. П. Синько.

Прочность конструкций не менее важна для безопасности парусных судов, чем остойчивость и непотопляемость.

Обеспечение прочности однокорпусного парусного судна по корпусу и судовым устройствам практически ничем не отличается от аналогичных задач в процессе проектирования моторных судов. Дополнительные вопросы возникают при обеспечении местной прочности“ в узлах крепления мачт, бушпритов, вант-путенсов, штаг-путенсов и других деталей парусного вооружения, относящихся к корпусу. Однако эти вопросы не выходят за рамки задач, решаемых в настоящее время при проектировании судовых кранов и стрел.

Не вызывает трудностей и обеспечение местной прочности в случае крепления твердого балласта — такие вопросы решаются при проектировании современных подводных лодок и некоторых типов рыболовных судов.

Расчет и обеспечение прочности соединительного моста катамарана или тримарана в настоящее время разработаны достаточно основательно и не вызывают особых затруднений.

Наибольшую сложность представляет создание легкого и прочного рангоута и такелажа. Здесь, по-видимому, не может быть использован многолетний опыт по парусным судам прошлого и начала нашего века из-за различия в конструкциях, типе вооружения и используемом материале. Очевидно, наиболее практичным материалом для рангоута современных парусных судов являются легкие сплавы на основе алюминия или титана при этом широко должна использоваться сварка.

В настоящее время в ЛИСЭД НКИ ведутся обширные работы по строительной механике рангоута и такелажа косого парусного вооружения. Выполненные исследования дали ряд новых, неожиданных результатов и показали, что проблема прочности рангоута и такелажа потребует новых решений трех основных задач — внешних сил, напряженно-деформированного состояния и допускаемых напряжений. Проблему прочности необходимо решать как вероятностную со случайным воздействием и случайными свойствами материалов.

В качестве примера на рис. 63 показаны результаты исследования внешних сил, действующих на мачту и гик косого парусного вооружения. Использование распределения нагрузки по законам аэродинамики, а также теории гибких оболочек привело к совершенно противоположному результату нагружения мачты, чем это предлагалось ранее: мачта согласно новым решениям, подтвержденным экспериментами, оказалась более нагруженной в верхней части, а не в нижней, как это вытекало из ранее существовавших взглядов. Очевидно, такой результат потребует пересмотра расчетных схем и концепций конструирования рангоута и такелажа.

Итак, решение проблем остойчивости, непотопляемости и прочности на парусном судне не составит каких-либо трудностей, выходящих за пределы современных научных знании и практического инженерного опыта. Эти проблемы могут быть решены уже в настоящее время, и плавание на современном парусном судне будет безопасным, как жизнь у себя дома.

Рис. 11. Передача давления ветра на мачту и гик бермудского паруса:
а — равномерное; парус — жесткая пластина; б — по законам аэродинамики; парус—мягкая оболочка (пленка).