Исследование реальной формы спинакера | Проектирование и изготовление парусов

Исследование реальной формы спинакера

Статья опубликована в журнале Yachts&Yachting, Июнь 2009.
Перевод Александр Дружинин.

Получение рабочей формы спинакера.

Разработка спинакера и анализ обтекающих его потоков является одной из наиболее сложных областей парусных технологий. Форма спинакера – определенная парусным мастером при помощи специальных программ – существенно изменяется от так называемой рабочей формы (flying shape) до формы под ветровой нагрузкой, формы отрегулированной шкотовыми на лодке или в аэродинамической трубе. Очевидно, что поскольку рабочая форма спинакера создает тягу и кренящие усилия, эта форма должна быть оптимизирована.

Поэтому, трехмерное описание рабочей формы является важной, если не самой важной, частью информации для конструктора паруса. Центр Яхтенных Исследований в Киле разработал технику оцифровывания рабочей формы спинакера в аэродинамической трубе. Он базируется на фотограмметрии, методе генерирования трехмерного описания формы паруса при помощи набора снимков с цифровой камеры. Этот прием используется в университетской аэродинамической трубе скрученных потоков (Twisted Flow Wind Tunnel) и парусные мастера и яхтсмены используют результаты для оценки формы паруса и получения советов по настройкам паруса в гоночных условиях. Мы рассмотрим один пример ниже. Twisted Flow Wind Tunnel из Центра в Киле это мощный обучающий инструмент. Открытая аэродинамическая труба приводится в действие двумя осевыми вентиляторами с максимальной скоростью в 19 узлов в зоне измерений. Специальные успокоители, экраны и поворотные лопасти обеспечивают правильные ветровые условия, воспроизводя зависящий от высоты по силе и направлению ветровой поток, который действует на яхту на полном курсе. Модель яхты монтируется на поворотной платформе, позволяющей менять вымпельный ветер от 0 до 180 градусов. Для регулировки парусов бегучим такелажем, модель оснащена шаговыми электромоторами, управляемыми с персонального компьютера виртуальными рычагами которыми можно регулировать гика-шкот, оттяжку гика, брасы, оттяжку спинакер-гика, набивку по фалу и работу с брасоловками.

Данные собираются и после этого виртуальные инструменты фильтруют и преобразовывают измерения усилий от ветрового потока. Программные инструменты позволяют инженеру просмотреть заново цепочку измерений во времени, выбрать участок, который будет использоваться для дальнейшего анализа и оценки качества измерения. Настройки по бегучему такелажу постоянно записываются и могут быть воспроизведены в любое время. Это дает возможность точно сравнить мельчайшие изменения в парусе исключив человеческий фактор.

Получение достоверной рабочей формы.

Основной метод фотограмметрии при получении трехмерной формы спинакера в аэродинамической трубе основан на использовании нескольких цифровых камер снимающих парус одновременно с нескольких сторон. Парус оснащен большим количеством маркеров (обычно 50-60) помещенных на определенные точки паруса. Эти маркеры так распределены по парусу, чтобы по облаку точек можно было получить гладкую поверхность. Маркеры, закрепленные на модели, определяют координаты точки. Камеры подключены к персональному компьютеру с централизованным спуском затворов всех камер, что позволяет снимать одновременно со всех камер. Это важно, поскольку парус колеблется под ветровой нагрузкой.

Получение правильной формы паруса
Последовательная обработка программными инструментами улучшает картинку, определяет положение маркеров на парусе и переводит двухмерные координаты каждой точки на картинке в трехмерные координаты. Эти координаты затем соединяются в плавные кривые , которые в свою очередь соединяются в так называемую Неправильную Упорядоченную В-сплайн поверхность (Non-Uniform Rational B-Spline Surface – NURBS). [Прим. редактора Y&Y – NURBS это математическая модель, используемая в компьютерной графике для генерирования и представления кривых и поверхностей]. Измерения рабочей формы интегрированы в обычную процедуру: выбирается определенный угол вымпельного ветра, паруса настраиваются на максимальную тягу и затем усилия и моменты генерируемые всеми парусами записываются с датчиков. Процедура занимает примерно 10 секунд, в это время записываются фотографии с камер.

Обычно паруса разрабатываются с использование специальных программ на персональном компьютере. Следовательно, парусный мастер может создать трехмерный вид проектируемого спинакера. Снимок экрана на фото сделан из парусной программы SailMaker, которая использовалась для этой работы. Чтобы сравнить рабочей форму снятую при помощи фотограмметрии с проектной, используется возможность экспорта данных в SailMaker.

Спинакер тестировался при ветре 9.7 узла и повороте ветра примерно на 15 градусов от палубы модели до топа мачты. Вымпельный ветер менялся в диапазоне от 80 до 170 градусов с шагом в 3.75 градуса. Для каждого значения вымпельного ветра спинакер настраивался для получения максимальной тяги. Диаграмма на следующей странице показывает проектную и рабочую формы спинакера при вымпельном ветре в 158 градусов, что соответствует достаточно полному курсу.

Разница между этими двумя формами очевидна. Проектная форма, симметрична, с ярко выраженными плечами и эллиптической формой в горизонтальном сечении, относительно широкой и неглубокой. Напротив, рабочая форма демонстрирует гораздо менее выраженные плечи и ассиметричную форму профиля с плоским входом. Также можно видеть, что этот спинакер можно улучшить при помощи более длинного спинакер-гика. Также видно, что шкотовый угол спинакера можно отнести дальше от мачты.

Тестирование спинакера
Впрочем, многое нужно иметь ввиду. На яхту действует скрученный ветровой поток, если она движется наискосок к ветру, с увеличением скорости ветра по высоте. Соответственно, обычно паруса тестируют, в том числе и для полных курсов, в скрученном потоке. Это делает получаемую в трубе форму спинакера более похожей на рабочую, по сравнению с использованием постоянного потока.

Становится более наглядным сравнение тяги спинакера определенной при исследовании влияния на него скрученного и нескрученного потока. В обоих случаях скорость ветра меняется по высоте, завися при этом от скорости лодки (установлено 8 узлов на тестах), а также меняется угол поворота ветра от 0 (без поворота) до 15 (с поворотом) градусов при помощи поворота пластин в аэродинамической трубе. Скорость ветра в районе топа мачты была установлена на 9.7 узла. Парус был отрегулирован на максимальную тягу в скрученном потоке. Результат показал, что спинакер лучше работает в скрученном потоке с увеличением тяги при росте угла вымпельного ветра. Причину этого можно увидеть при помощи сравнения формы спинакера в скрученном и не скрученном потоке, которое показывает лишь небольшое разницу в форме, несмотря даже на то что угол скоса нижней части паруса значительно изменился. Тесты парусов в аэродинамической трубе дают объяснения этим процессам. При настройки на максимальную тягу средняя часть паруса превалирует над настройками по шкотам. Создается впечатление, что в нескрученном потоке угол скоса нижней части паруса слишком велик, чтобы создавать тягу.

От теории к практике.

Для каждой лодки есть рекомендации по настройке. В большинстве этих правил есть общие параметры эффективной настройки парусов для полных курсов. Широко распространен сборник советов по настройке из журнала «Speed&Smarts», выпускаемого David Dallenbuagh. В выпуске 84/Сентябрь 2004 Dallenbuagh советует следующую последовательность действий по настройке:

  1. Ставьте спинакер-гик перпендикулярно вымпельному ветру на курсах более 120 градусов.
  2. Потравите подветренную брасу до состояния, когда передняя шкаторина спинакера начинает заполаскивать.
  3. Настройте топенант спинакер-гика чтобы передняя шкаторина скручивалась от верха к низу.
  4. Используйте бакового матроса, чтобы убедиться, что углы спинакера находятся на одинаковой высоте.
  5. Спинакер-гик должен быть параллелен поверхности воды.
  6. Держите нижнюю шкаторину подальше от штага.

В качестве второстепенного правила – средний шов на спинакере должен быть параллелен поверхности воды.

Многие яхтсмены, включая авторов, согласны, что эти советы по настройке помогают, только чтобы поставить спинакер на начальном уровне, от которого уже начинается непрерывная работа по точной настройке с целью увеличить скорость лодки. Аэродинамическая труба предлагает великолепную возможность оценить данные выше советы. Для такого исследования спинакер, описанные выше был протестирован в диапазоне углов вымпельного ветра, применяя правила настройки. После проведения измерения, были добавлены дополнительные регулировки для максимизации тяги. Таким образом измерительные инструменты обеспечили великолепные и объективные средства проверки, насколько оптимизированы настройки паруса. Выявились незначительные проблемы при последовательном применении советов. Некоторые правила противоречат другим. В частности, рекомендация поставить спинакер-гик перпендикулярно вымпельному ветру может быть несовместима с требованием не давать нижней шкаторине касаться штага. Чтобы обойти эту проблему были проведены дополнительные тесты, в течение которых, начиная из исходной точки с перпендикулярным ветру спинакер-гиком, наветренная браса травилась до отрыва шкаторины от штага.

Фотограмметрия помогает понять, как улучшенные настройки создают больше тяги. Иллюстрации показывают рабочую форму спинакера при вымпельном ветре в 158 градусов и скорость вымпельного ветра 9.7 узла.

Рабочая форма спинакера

Парус настроенный согласно общим рекомендациям показан красным, а по максимальной тяги – зеленым. Улучшенные настройки отличаются увеличенной высотой шкотового угла, нарушая правила, что шкотовый и галсовый угол должны быть на одной высоте. Также высота спинакер-гика увеличена (но ниже шкотового угла). В общем случае оттяжка спинакер-гика и наветренная браса травятся чтобы увеличить дистанцию от нижней шкаторины спинакера до штага.