Проект парусного катамарана

Проект гоночно-крейсерского парусного катамарана «Замбар»

При разработке проекта парусного катамарана, описание которого приводится ниже, была поставлена задача обеспечить: 1) достаточно высокую мореходность и надежность при высокой скорости движения под парусами; 2) минимальный вес и хорошую транспортабельность; 3) размещение четырех спальных мест; 4) возможность установки вспомогательного двигателя.

При проектировании мы столкнулись с полным отсутствием экспериментальных данных в области гидродинамики подобных судов. Поэтому нами были проведены испытания моделей с целью изучения таких вопросов, как взаимное влияние корпусов катамарана; зависимость буксировочного сопротивления от соотношения длины и ширины корпусов; соотношения между остаточным сопротивлением и сопротивлением трения; влияния несимметричности корпусов катамарана относительно диаметральной плоскости на ходкость.

Изготовленные для испытаний три двухкорпусные схематизированные модели имели характеристики, указанные в таблице. Размерения моделей № 2 и № 3 совпадали, но модель № 3 отличалась наличием плоского борта у каждого поплавка. Обводы моделей симметричны относительно мидель-шпангоута. Сечения по мидель-шпангоутам представлены на рис. 1.

Рис. 1. Поперечные сечения моделей

Модели были изготовлены из пенополистирола; поверхность их отшкурена, покрыта воском и отполирована. Конструкция соединения поплавков позволила расстояние между ними (горизонтальный клиренс) регулировать в широких пределах (3-75 см).

Модели испытывались в опытовом бассейне Горьковского политехнического института им. А. А. Жданова, причем всего было проведено семь испытаний (прогонок). Буксировочное сопротивление моделей пересчитывалось на натурные суда длиной L=9,4 м и водоизмещением D=1970 кг для случая плавания в морской воде при ее температуре 4 °С.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1) полученные кривые буксировочных сопротивлений при сопоставлении с аналогичной кривой килевой яхты класса «Р-5,5» (один из лучших по ходкости гоночных классов) подтверждают неоспоримые преимущества катамаранов в скорости (рис. 2);

Рис. 2. Кривые буксировочных сопротивлений парусных судов

1 — килевая яхта класса «Р-5,5» (L/B=4; D=1700 кг); 2 — катамаран (L/B=25; D=1900 кг) — с модели №3; 3 — катамаран (L/B=15; D=1900 кг) — с модели №1; 4 — катамаран (L/B=15; D=1700 кг). Кривые 1 и 4 заимствованы из статьи Б. Мирохина «Некоторые особенности движения парусных судов с большими скоростями», «Судостроение», №9, 1961.

2) при сближении корпусов катамарана их взаимное влияние приводит к значительному (в два-три раза) увеличению коэффициента остаточного сопротивления и, как следствие, резкому росту буксировочного сопротивления (рис. 3);

Рис. 3. Влияние горизонтального клиренса на буксировочное сопротивление модели № 1

1 — К_г=3,0 см; 2 — К_г=5,5 см; 3 — К_г=8,0 см; 4 — К_г=25,0 см.

3) при увеличении расстояния между корпусами до 1/3L и более их взаимное влияние отсутствует;

4) с ростом отношения L/B от 15 до 25 коэффициент остаточного сопротивления падает (рис. 4); в то же время растет смоченная поверхность, вследствие чего полное буксировочное сопротивление также несколько возрастает;

Рис. 4. Зависимость коэффициента остаточного сопротивления от ширины одного корпуса катамарана

(1 — модель № 1; L/B=15. Коэффициент остаточного сопротивления; 2 — модель № 2; L/B=25. Коэффициент остаточного сопротивления; 3 — коэффициент сопротивления трения.

5) при высоких отношениях L/B (порядка 20) и числах Фруда Fг=0,6-1,1 коэффициент остаточного сопротивления в 2-5 раз меньше коэффициента трения. В этих условиях особое внимание следует уделять уменьшению смоченной поверхности корпусов;

6) при испытаниях моделей с симметричными относительно ДП корпуса и несимметричными корпусами, при прочих равных характеристиках, кривые буксировочного сопротивления совпадают. Следовательно, применение несимметричных обводов не дает заметного увеличения сопротивления корпуса, если при этом не изменяются другие характеристики.

Элементы моделей катамарана

Мо- де- ль	Дли- на L, см	Вес D, кг	Коэф- фици- ент про- доль- ной пол- ноты, φ	Шири- на поп- лав- ка B, см	Осад- ка T, см	L/B	Пло- щадь смо- чен- ной по- верх- ности Ω, см²	Коэф- фици- ент общей пол- ноты δ	№ испы- тания	Гори- зон- таль- ный кли- ренс Кг, см	При- меча- ния
1	75	1,0	0,65	5	2,5	15	954	0,50	1	3,0
									2	5,5
									3	8,0
									4*	25,0
									5*	75,0
									6**	25,0
2	75	1,0	0,65	3	5	25	1440	0,445	7**	25,0	Плос- кими бор- тами на- ружу
3	75	1,0	0,65	3	5	25	1440	0,445	8**	25,0	Плос- кими бор- тами внутрь
* Результаты 4 и 5-го испытаний совпали. ** Результаты 6, 7 и 8 испытаний совпали.

Материалы модельных испытаний позволили спроектировать корпус яхты (рис. 5-8), обладающий высокими гидродинамическими характеристиками.

Корпуса имеют несимметричную форму с плоскими наружными бортами, что улучшает внутреннее расположение, повышает остойчивость, уменьшает дрейф и облегчает постройку. Благодаря применению несимметричных обводов удалось отказаться от швертовых устройств, значительно усложняющих конструкцию и управление яхтой.

Рис. 5. Теоретический чертеж корпуса катамарана

увеличить (откроется в новом окне).

Шпангоуты, несколько вытянутые книзу, обеспечивают достаточную осадку. Рубка, образованная подъемом палубы, и соединительный мостик имеют хорошо обтекаемую форму, что уменьшает воздушное сопротивление при движении с большими скоростями и под острыми углами к ветру.

Рис. 6. Конструктивные чертежи корпуса парусного катамарана

увеличить
а — внутренний борт; б — наружный борт; в — план палубы. 1 — гайка; 2 — шпилька; 3 — стальная полоса; 4 — болт.

Расчеты по теоретическому чертежу показали, что при полном водоизмещении поперечный метацентрический радиус r=8 м, а продольный метацентрический радиус R=18 м и при любых случаях нагрузки значительно больше поперечного. С изменением осадки в широких пределах коэффициенты δ, φ, β почти не изменяются.

Рули являются продолжением корпусов. Это увеличивает волнообразующую длину до 9,4 м и повышает отношение L/B с 17,3 до 19. Нижние кромки рулей опущены ниже основной линии, что обеспечивает необходимую управляемость при уменьшении осадки наветренного корпуса.

Основные элементы спроектированного катамарана
Длина расчетная (с учетом пера руля) L, м	9,4
Длина наибольшая (по КВЛ корпуса) Lн, м	8,65
Длина габаритная Lг, м	10,8
Ширина наибольшая Вн, м	4,0
Ширина одного корпуса по КВЛ В, м	0,5
Осадка корпуса Т, м	0,5
Осадка габаритная Тг, м	0,75
Высота корпуса Н, м	1,85
Водоизмещение полное весовое D, кг	1900
Коэффициент общей полноты δ	0,407
Коэффициент продольной полноты φ	0,602
Коэффициент полноты мидель-шпангоута β	0,663
Вертикальный клиренс Кв, м	0,720

Ватерлинии имеют вид плоско-выпуклого профиля со смещением максимальной толщины на одну теоретическую шпацию в нос. Это должно способствовать уменьшению дрейфа вследствие возникновения гидродинамической боковой силы при движении на одном корпусе. Угол притыкания носовой ветви КВЛ к ДП составляет 14°, кормовой 6°.

Рис. 7. Общее расположение катамарана

1 — форпик; 2 — трюм; 3 — жилой отсек; 4 — моторное отделение; 5 — пяртнерс; 6 — кокпит рулевого.

Размерения и обводы яхты позволили разместить по две откидные койки в каждом корпусе. В корму и в нос от жилых отсеков размещаются трюмы. Под моторное отделение использован объем соединительного мостика, что полностью исключает проникновение запахов бензина и масла в жилые отсеки. Здесь же хранятся топливо и аккумуляторные батареи. Кормовая часть мостика отведена под кокпит рулевого. Большая площадь палубы и сетки, натянутые между корпусами в оконечностях, создают хорошие условия для отдыха.

Рис. 8. Общий вид и парусность катамарана

Даже если предельная сила ветра, при которой яхта должна эксплуатироваться с полной парусностью, предопределена, подбор площади парусов представляет весьма трудную задачу из-за сложного совместного влияния на кренящий момент множества факторов. Поэтому нами был применен чисто условный прием, позволяющий быстро подобрать площадь парусности с учетом остойчивости яхты.

Площадь парусности подбиралась при условии, что яхта не должна опрокидываться при действии бокового ветра силой 6 баллов на паруса, поставленные в ДП. При этом делалось допущение об отсутствии хода и дрейфа яхты. Кренящий момент определялся по формуле

Приравнивая кренящий момент максимальному восстанавливающему моменту, равному для проектируемого судна 4200 кгм из этой же формулы находим площадь парусности, равную 73 м² . Для обеспечения запаса остойчивости площадь основных парусов была принята 49,5 м². (Следует учитывать, что на ходу катамарана при курсе бейдевинд кренящий момент достигает большей величины, чем определенный по предлагаемому методу, так как скорость вымпельного ветра возрастает за счет сложения со скоростью хода катамарана. Поэтому введение в расчет коэффициента запаса кренящего момента n=1,5-2,5 при пользовании предлагаемым методом является обязательным. — Прим. ред.)

Следует отметить, что коэффициент поперечной силы мало зависит от профиля и формы парусов в плане при угле атаки α=90° и может быть принят для различных парусов одинаковым — равным 1,27. Это дает возможность наглядно и быстро сравнивать остойчивость различных парусных судов.

Основными парусами судна являются: грот площадью 36 м² и стаксель площадью 13,5 м². Предусмотрены штормовые паруса: грот — 28,6 м² и стаксель — 9,6 м². Площадь малого шторм-стакселя 6,9 м². Под зарифленным штормовым гротом и шторм-стакселем плавание безопасно при ветре силой до 9 баллов.

Поворотливость судна обеспечивается достаточной площадью рулей (2х0,55 м²); усилие на румпеле не превышает 12 кг.

В качестве основного конструкционного материала применен стеклопластик на основе полиэфирной смолы ПН-1, армированной стеклотканью марки АСТТ(б)-С2. Катамаран набран по поперечной системе набора. При толщине обшивки корпусов 3 мм шпация составляет 333 мм. Мостик имеет обшивку толщиной 3 мм по днищу и 5 мм по палубе. Набор выполнен в виде балок П-образного профиля с наполнителем из пенопласта. Минимальный момент сопротивления шпангоутов в средней части составляет W_мин=64 см³. Каждый корпус подкреплен тремя водонепроницаемыми гофрированными поперечными переборками.

Корпуса яхты имеют второе дно, отстоящее от основной на 300 мм в средней части и на 650 мм в оконечностях. Междудонное пространство заполнено пенопластом. Это увеличивает жесткость днищевой обшивки и предохраняет междудонное пространство от заполнения водой при пробоинах. Объемы междудонного пространства и форпиков обеспечивают непотопляемость судна.

Для упрощения постройки и транспортировки катамарана предусмотрен разъем между корпусами и мостиком. Соединение осуществляется на болтах по периметру боковых стенок мостика. Для предупреждения износа отверстий под болты в стенки мостика и корпусов заформованы стальные полосы.

Прочность соединительного мостика обеспечивается двумя продольными и тремя поперечными переборками, а также несколькими усиленными балками по палубе и днищу. Как показали расчеты, прочность корпусов и соединительного мостика обеспечена с большими запасами, несмотря на значительные действующие нагрузки. Минимальные размеры связей ограничиваются, в основном, случайными местными нагрузками.

Весовая нагрузка катамарана, кг
1. Корпуса	2х450
2. Соединительный мостик	300
A. Голый корпус	1200
3. Оборудование помещений и устройства	90
4. Рангоут и такелаж	120
5. Паруса	40
Б. Водоизмещение порожнем (парусный вариант)	1450
6. Механическая установка	70
B. Водоизмещение порожнем (парусно-моторный вариант)	1520
7. Запасы	100
8. Экипаж	4х75
Г. Водоизмещение полное	1900

Для движения яхты в полный штиль и маневрирования в узкостях устанавливается стационарный лодочный мотор «СМ-557Л» мощностью 12 л. с. с Z-образной передачей на гребной винт. Передача выполнена в виде колонки, откидывающейся к днищу мостика. В поднятом положении колонка укрыта в нише и не создает сопротивления. Вес колонки около 16 кг.

Скорость катамарана под мотором составит около 10 узлов.

Основными достоинствами спроектированного парусного катамарана являются высокие спортивные качества, безопасность плавания, долговечность и малые эксплуатационные расходы. Яхта может быть использована в качестве гоночной, прогулочной или крейсерской как в море, так и на магистральных реках и водохранилищах.

С. А. Калинин, «Катера и яхты», 1965 г.

В раздел «Проекты лодок для самостоятельной постройки»

Наш Telegram-канал: https://t.me/motolodki_katera. Присоединяйтесь!

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

добавить страницу в избранное