Некоторые вопросы проектирования парусных катамаранов

Год написания данной статьи — 1965, но, несмотря на это, по многим вопросам статья не утратила актуальности и на сегодняшний день.

*******

В последние годы мы были свидетелями создания в нашей стране первых отечественных парусных катамаранов. Если еще несколько лет назад среди яхтсменов, судостроителей и яхтенных конструкторов велись только оживленные дискуссии (в 1961 г. подобная дискуссия была организована журналом «Судостроение» — см. № 6 и 9 за 1961 г. Вопросы теории и проектирования парусных катамаранов обсуждались затем в 1962 г. на Всесоюзной конференции по мелкому судостроению в Ленинграде — см. «Материалы по обмену опытом. Мелкое судостроение», НТО Судпрома, вып. 52, 1963 г.) о значении и возможностях парусных катамаранов, то сегодня суда этого типа строятся и плавают на наших морях, озерах и реках (табл. 1). Катамаранами заинтересовались не только отдельные энтузиасты и любители, но и яхтсмены-гонщики в связи с предполагаемым проведением первенства Союза по парусным катамаранам.

Таблица 1. Общее число известных автору плавающих и строящихся парусных катамаранов и тримаранов (на 1 октября 1964 г.)

Тип судов	Число судов по городам								Общее число по типам судов
	Москва	Ленин- град	Рига	Николаев	Таллин	Горький	Феодосия	Магни- тогорск
Гоночные, класс В	4	1	—	—	1	1	—	—	7
Гоночные, класс С	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Спортивно-прогулочные	—	4	3	1	—	—	1	—	9
Малые крейсерские	—	1	—	—	—	—	—	4	5
Большие крейсерские	—	—	—	—	—	—	—	2	2
Туристские	—	2	—	1	—	—	—	—	3
Общее число судов	4	8	3	2	1	1	1	6	26

В 1963 г. Центральным правлением НТО судостроительной промышленности был проведен семинар по вопросам проектирования, постройки и эксплуатации парусных катамаранов. Семинар позволил обменяться опытом проектирования катамаранов и выявить фактическое положение дел с постройкой этих судов.

Отдельными любителями и некоторыми коллективами уже построены первые в нашей стране парусные катамараны. Однако, как показали результаты испытаний, многие из этих судов не оправдали возлагавшихся на них надежд: они оказались относительно тихоходными, плохо лавируют и отличаются неважной маневренностью.

Одной из основных причин появления таких неуклюжих судов, которые могут быть названы катамаранами только лишь благодаря наличию двух корпусов, является, на наш взгляд, недостаточно тщательное и квалифицированное проектирование. Автору пришлось довольно подробно ознакомиться с несколькими проектами прогулочно-спортивных и крейсерских катамаранов, созданных нашими любителями. При анализе этих проектов выявился ряд общих для них недостатков, которые и подтверждают высказанную мысль о причинах неудач.

Катамараном — в современном смысле этого слова — называется двух- или многокорпусное парусное судно, сочетающее высокую скорость с хорошей устойчивостью на курсе, достаточной остойчивостью, большой прочностью и практической непотопляемостью. Кроме того, крейсерский катамаран должен иметь достаточные по объему и площадям жилые помещения и кокпиты, а также необходимые бытовые удобства, создающие нормальные условия обитаемости.

К сожалению, большинство катамаранов, спроектированных и построенных у нас в последние годы, не удовлетворяет даже главным из указанных выше требований. Рассмотрим подробнее основные недостатки проектов этих судов.

Район плавания и мореходность катамаранов

Почти во всех проектах крейсерских катамаранов главные размерения и форма обводов корпуса не увязаны с целевым назначением и районом плавания судна. Например, в проекте указывается, что судно предназначено для крейсерских плаваний в прибрежных районах моря с удалением от берега на расстояние 50 миль. Однако эта цифра совершенно ничем не обоснована и не подкрепляется никакими расчетами. Почему именно 50, а не 20 или 75 миль? А если 50, то какие требования в связи с этим были предъявлены к судну и как они были удовлетворены в проекте? Авторы проектов не только не дают ответов на эти вопросы, но просто не касаются их.

А вместе с тем известно, что длина, ширина и осадка судна, обводы корпуса и площадь парусности в значительной мере определяются районом плавания, его гидрологическими и метеорологическими условиями.

От соотношения длины судна и длины волны зависят продольная качка и быстроходность катамарана. Высота борта, подъем и развал носовой оконечности, длина носовых свесов — определяют всхожесть судна на волну, его заливаемость и, в конечном счете, его мореходность. Поэтому главные размерения судна следует увязывать с наиболее вероятными характеристиками волн.

Обводы корпусов катамарана, в особенности форма шпангоутов, должны выбираться обоснованно с точки зрения наиболее вероятных ветровых условий (в мае-октябре) и характера акватории. Если, например, в предполагаемом районе плавания в интересующий конструктора или заказчика период года господствующими являются ветры умеренные (3-4 балла), то более предпочтительны круглошпангоутные суда. Для более сильных ветров и закрытых акваторий (без сильной волны) на небольших гоночных судах целесообразно применять плоско-килеватые шпангоуты — для возможности глиссирования катамарана. Катамараны для открытого моря с сильными ветрами могут иметь клиновидную форму шпангоутов (без швертов).

Район плавания предъявляет определенные требования к остойчивости и непотопляемости, что, в свою очередь, накладывает соответствующие ограничения на высоту надводного борта, парусность и т. д. Все это необходимо учитывать при проектировании катамарана.

С районом плавания связаны также требования по снабжению судна провиантом, пресной водой, аварийно-спасательными средствами, якорями, запасным имуществом и т. п. Однако в большинстве проектов указанные требования игнорируются, что приводит к занижению проектного водоизмещения судна. Фактически же, при плаваниях будет иметь место перевес (превышение водоизмещения) из-за того, что вес многих предметов снабжения не был учтен при проектировании.

На наш взгляд, необходимо разработать обязательные нормы снабжения катамаранов в зависимости от их назначения и района плавания, с учетом которых должно вестись проектирование судов.

Не меньшее значение имеет правильный выбор главных размерений и формы корпусов с учетом района и времени соревнований для гоночных катамаранов. Известно, что не существует парусных судов, одинаково быстроходных как в слабые, так и в сильные ветры. Для ответственных соревнований, таких, как первенства Союза, Москвы и Ленинграда, Балтийская, Черноморская и Поволжская регаты и т. п., необходимо создавать специальные суда, спроектированные на наиболее вероятные погодные условия, ожидаемые во время проведения данных соревнований. А это можно сделать только при наличии и грамотном использовании статистического материала по бассейнам, где проводятся соревнования. Нам кажется, настала пора заняться такой статистикой.

Материалы и конструкция катамаранов

Как показывает анализ проектов и данных по построенным катамаранам, при выборе материалов для корпуса руководствуются чаще всего не целесообразностью, а доступностью материала в данных условиях, что приводит в ряде случаев к совершенно неудачным конструкциям. Элементарный подсчет показывает, что для судов с длиной по палубе 10-12 м вес 1 м² обшивки (которая составляет основную долю в весе корпуса) равен величинам, приведенным в табл. 2. Эти данные свидетельствуют, что наилучшими материалами, с точки зрения веса, являются алюминиевые сплавы и водостойкая фанера; на втором месте — стеклопластик и дерево. Именно эти материалы и применяются для постройки больших парусных катамаранов.

Таблица 2. Вес и толщины обшивки катамарана длиной 10-12 м

Характеристики обшивки	Сталь	Алюми- ниевые сплавы	Стекло- цемент	Армо- цемент	Стекло- пластик	Фанера		Дерево
						бакелизи- рованная	авиаци- онная
Толщина, мм	3,0	3,0	15	15	7,0	8,0	12	20
Вес, кг/м²	23,5	8,2	27	30	14,0	8,0	8,4	10

При длине катамарана 5-6 м по палубе вес 1 м² обшивки составляет величины, приведенные в табл. 3. И в этом случае целесообразно применять для постройки судна фанеру и дерево. Несколько больший вес корпуса будет при применении стеклопластика.

Таблица 3. Вес и толщины обшивки катамарана длиной 5-6 м

Характеристики обшивки	Сталь	Алюми- ниевые сплавы	Стекло- цемент	Армо- цемент	Стекло- пластик	Фанера		Дерево
						бакелизи- рованная	авиаци- онная
Толщина, мм	1,5	1,5	10	10	3,5	5,0	4,0	10
Вес, кг/м²	11,5	4,0	18	20	7	5	2,8	5

Из этих двух таблиц можно сделать вывод, что сталь является весьма неудачным материалом для постройки парусных катамаранов. Стальные катамараны оказываются слишком тяжелыми. Для большого катамарана при общей площади обшивки около 20 м² вес стального корпуса больше веса фанерного на 290-330 кг, а для судна длиной 10-12 м на 1,5-2,5 т. Кроме того, сталь как материал крайне нетехнологична в условиях любительской постройки. Получить достаточно хорошие обводы малого стального судна очень трудно.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что стальные катамараны не могут быть быстроходнее обычных парусных яхт. Большие стальные тримараны «Урал» и «Восток», построенные на Магнитогорском металлургическом комбинате, могут служить ярким примером. При длине 12 м по палубе и парусности 50 м² эти суда достигают скорости лишь около 6,2 узла (ветер 4-5 баллов). Аналогичные результаты достигнуты и на построенных там же стальных катамаранах несколько меньших размеров. Видимо, не лучшие показатели будут и у стекло- и армоцементных катамаранов, постройка которых также ведется отдельными любителями. Стоит ли после этого столь настойчиво рекомендовать подобные материалы любителям и коллективам?

Таким образом, в некоторых случаях одной из причин малой быстроходности построенных катамаранов является неправильный выбор основных строительных материалов.

Необходимо отметить конструктивные недостатки ряда проектов катамаранов. Желая облегчить суда, авторы проектов необоснованно занижают толщину обшивки и сечения основных несущих конструкций. Например, в проекте крейсерского катамарана «Замбар» (длина по палубе 11 м) пластмассовая обшивка борта принята толщиной всего 3 мм. Это крайне мало. У катамарана «Ласточка» такой же длины предусмотрена фанерная обшивка толщиной 7 мм.

Нормальные толщины обшивки при таких размерениях в 1,5-2 раза выше.

В ряде проектов отсутствует носовая распорная балка, ослаблены сечения основных поперечных балок мостика и т. д. В целом же, недостаток опыта проектирования катамаранов служит причиной слепого копирования узлов традиционных однокорпусных судов, что и приводит к созданию более тяжелых конструкций, чем за рубежом.

Классическим примером может служить сохранение традиционного набора — большого числа натесных шпангоутов и стрингеров у судов с фанерной обшивкой. При длине катамаранов 5,5-6,5 м (даже на гоночных судах) применяют 8-10 натесных шпангоутов солидного сечения и ряд бортовых и днищевых стрингеров. Такая конструкция нерациональна и тяжеловесна. Расчетами и практикой доказано, что при нормальной толщине фанерной обшивки число деталей набора может быть сокращено без ущерба для прочности судна.

Водоизмещение и весовая нагрузка катамарана

В ряде проектов катамаранов весовая нагрузка определена неточно и при ее подсчете не учитываются многие предметы снабжения и оборудования судна. Например, предполагаемое расчетное водоизмещение катамарана «Ласточка» (3100 кг) определено без учета веса мебели, оборудования (камбуз, гальюн), полного комплекта спасательных принадлежностей, штурманских, такелажных и слесарных инструментов, шкиперских запасов и т. п. Веса поперечных несущих балок, якорного и рулевого устройств, запасов провианта и пресной воды и т. п. определены неточно (занижены на 360 кг). Общий недовес судна в проекте оценивается в 400-500 кг. Таким образом, полное водоизмещение катамарана будет намного больше (3500-3600 кг). Аналогичные ошибки при подсчете весовой нагрузки катамарана «Слон» привели к перевесу судна на 150-170 кг (1100 кг вместо 930 по проекту). В обоих случаях неточность расчета водоизмещения составила 13-16%.

В некоторых случаях при проектировании и постройке прогулочно-спортивных катамаранов водоизмещение судна не определялось вообще, что не позволило в процессе проектирования сравнить его вес с аналогичными судами. При этом построенные суда оказались намного тяжелее других катамаранов подобных типов и размеров.

К чему приводят неточности расчета водоизмещения судна? Как правило, к фактическому перевесу, т. е. увеличению водоизмещения по сравнению с расчетным. А это, в свою очередь, увеличивает осадку и смоченную поверхность судна, уменьшает надводный борт и вертикальный клиренс. В результате резко ухудшаются ходовые и мореходные качества катамарана.

Поперечная и продольная остойчивость катамарана

Недостаточная проработка вопросов остойчивости катамаранов часто приводит к весьма нежелательным последствиям. Например, неправильный выбор объема боковых корпусов тримарана «Урал» послужил причиной малой остойчивости судов этого типа (классический пример неправильного проектирования!). Максимальный восстанавливающий момент у судов этого типа в 5 раз (!) ниже, чем он должен быть при правильном проектировании. Причина следующая: объем боковых корпусов намного меньше полного водоизмещения судна, что является нарушением одного из главных принципов проектирования тримарана. Анализ показывает, что для достижения максимальной остойчивости тримарана объем боковых корпусов должен быть не меньше полного водоизмещения. Нарушение этого принципа привело к тому, что судно может нести основную парусность только при ветре силой не выше 5 баллов, в то время как катамаран такого типа должен нести полную парусность при 6-7-балльном ветре. Очевидно, отмеченное обстоятельство и послужило причиной опрокидывания тримарана «Урал» в одном из походов на р. Дон.

Влияние объема боковых поплавков на максимальную остойчивость тримаранов. Мвпред — предельный восстанавливающий момент у правильно спроектированного судна.

Иногда высказываются неверные мысли о характере остойчивости катамаранов; встречаются, например, утверждения об их абсолютной остойчивости, «буерная» трактовка проблем остойчивости катамаранов [1] и т. п. Остановимся на одном из этих вопросов.

Известно, что тяга парусов катамаранов в сильный ветер достигает такой же величины, что и сила дрейфа. Но поскольку продольная остойчивость катамарана ниже, чем у однокорпусных классических судов, то катамараны приобретают склонность зарываться носом подветренного корпуса в воду. Во избежание этого необходимо применять конструктивные меры, обеспечивать возможность удифферентовки легких катамаранов весом экипажа, а также производить предварительный расчет дифферентовки при проектировании. Этот вопрос подробно обсуждался в работе [2], где даны рекомендации по расчету дифферентовки и некоторые конструктивные указания. Однако, до сих пор весьма часто дифферентовкой катамаранов пренебрегают, что приводит к сильному притапливанию носовой части подветренного корпуса и потере хода.

Нерекомендуемое (а) и целесообразное (б) размещения мостика катамарана.

Весьма очевидное средство борьбы с этим явлением — сдвиг мостика в корму, что позволяет экипажу существенно перемещать центр тяжести и противодействовать дифферентующему моменту. На рис. «а» показано нецелесообразное, но весьма распространенное размещение мостика, а на рис. «б» — рекомендуемое расположение мостика, облегчающее удифферентовку судна при сильных попутных ветрах.

Таким образом, одной из многих причин создания неудачных конструкций парусных катамаранов является недостаточная проработка вопросов остойчивости проектируемого судна, в результате чего судно оказывается не способным нести паруса даже при нормальной для катамаранов силе ветра.

Быстроходность катамарана

Катамараны, как никакие другие парусные яхты, требуют грамотного и тщательного проектирования, главной задачей которого является достижение катамараном высокой скорости хода. «Катамаран, который хотя бы приближенно не достигает этой цели, ... не заслуживает своего названия: первой и главной особенностью катамарана является его быстроходность; уже только после этого выдвигаются условия достижения нормальных для обычных судов или, в большинстве случаев, лучших показателей, в том числе и по остойчивости» [3] — это вполне справедливая точка зрения.

Отсюда вытекает необходимость расчетной оценки быстроходности парусных катамаранов. Конструктора и строителя катамарана всегда интересует вопрос: какую максимальную скорость при заданной силе ветра будет развивать его судно. Умея оценивать ожидаемую скорость, можно еще в процессе проектирования принять меры к улучшению ходовых качеств катамарана, или, по крайней мере, знать, что можно ожидать от проектируемого судна.

До последнего времени расчеты скорости хода парусных катамаранов (как и других яхт) вообще не производились, и оценка их быстроходности производилась «на глазок», так как методов даже приближенной оценки скорости с учетом крена, дрейфа и других факторов, присущих движению судна под парусами, не существовало.

Приближенный метод оценки быстроходности парусных катамаранов, изложенный в работе [4], позволяет рассчитывать скорости хода, крен и дрейф при различных ветровых условиях. Точность этого метода определяется точностью исходных данных для расчета и точностью оценки сил. Хотя этот метод и не позволяет рассчитать ходкость гоночной яхты с требуемой точностью, однако он позволяет оценить уровень достижимых скоростей и дает возможность производить качественный анализ влияния различных конструктивных параметров на быстроходность проектируемой яхты.

Для прогулочных, крейсерских и туристских судов метод расчетной оценки быстроходности катамаранов [4] служит надежным критерием качества конструкции. Действительно, основную долю в общем балансе сопротивления катамаранов при всех практических скоростях составляет сопротивление трения R_τ. Этот вид сопротивления рассчитывается на основе данных теории корабля достаточно точно. С меньшей точностью расчетным путем можно оценить остаточное сопротивление катамарана R₀. Однако, из равенства

можно найти следующее выражение для общего сопротивления катамарана:

где — погрешность в определении остаточного сопротивления.

Следовательно, скорость хода катамарана может быть найдена с точностью ( — погрешность в определении скорости v)

Обычно (во всем диапазоне скоростей хода катамаранов). Тогда

Как показывают сравнительные оценки R₀ по различным методам, погрешность в определении остаточного сопротивления не превышает ±50%, т. е.

В этом случае, заменяя приближенно

получим относительную погрешность в оценке скорости хода катамарана

При погрешность составит не более 12,5%. Даже при 100% ошибке в расчете остаточного сопротивления погрешность в оценке скорости не превысит 22%. Очевидно, для указанных выше типов судов эта погрешность допустима, так как для таких катамаранов не столь важно определить точное значение скорости, сколько важно знать ее порядок. Таким образом, если расчетная скорость хода катамарана v = 18 узлов, то с учетом точности расчета (±12%) истинная скорость будет колебаться в пределах 16-20 узлов.

Анализ различных проектов и построенных судов показывает, что часто из-за отсутствия опыта проектирования суда создаются более тяжелыми, с большей смоченной поверхностью, но меньшей парусностью. Например, крейсерский катамаран «Ласточка» имеет смоченную поверхность 26 м² и площадь парусности 55 м². Такую же смоченную поверхность имеет, например, катамаран «Лани-Каи», но у него парусность существенно больше (86 м²). Скорость хода «Лани-Каи» достигает 22 узлов. Следовательно, ожидать у «Ласточки» скорость более, чем

не приходится.

Прочность катамаранов

В настоящее время нет единых методов расчета прочности катамаранов. В то же время специфические особенности катамаранов, их высокие силовые нагрузки требуют детального расчета прочности и жесткости всего судна. В качестве примера можно указать на несущие балки мостика, рангоут, стоячий такелаж и т. д. Существующие эмпирические методы расчета прочности рангоута обычных яхт непригодны для катамаранов в силу крайнего отличия в характере и величине действующих нагрузок. То же относится и к другим узлам двухкорпусных судов.

Очевидно, целесообразно разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкций, а также выработать нормативные расчетные нагрузки и методы оценки прочности узлов и деталей. Работа [2] является первой попыткой в этом направлении и пригодна только для небольших катамаранов. Было бы полезно продолжить эту работу и распространить расчетные методы на другие типы судов. Наш небольшой опыт в этой области говорит о хорошем совпадении расчетных выводов с практикой, что подтвердилось при проектировании и испытании спортивно-прогулочного катамарана «Бумеранг».

Катамаран «Бумеранг» конструкции автора статьи.

Заключение

Подводя итог, подчеркнем основную мысль этой статьи. По нашему мнению, созрела необходимость в разработке «Руководящих технических материалов по проектированию парусных катамаранов», в которых нашли бы отражение затронутые выше вопросы. Хотелось бы, чтобы яхтсмены, конструкторы-профессионалы и любители, интересующиеся парусными катамаранами, высказались по существу этой статьи.

Литература

1. Б. В. Мирохин, Некоторые особенности движения парусных судов с большими скоростями, «Судостроение», № 9, 1961.
2. Ю. С. Крючков, В. И. Лапин, Парусные катамараны, Судпромгиз, 1963.
3. К. Дебус. Первое условие — оптимальная скорость, «Der Segelsport», № 4, 1962.
4. Ю. С. Крючков, Расчет скорости хода парусного катамарана, «Судостроение», № 10, 1963.

Ю. С. Крючков, «Катера и яхты», 1965 г.

В раздел «Мотолодки, катера, яхты — разное, обзоры, советы»

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

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

добавить страницу в избранное