|
ОТ АВТОРА
Проектирование и постройка яхт за последние годы претерпели значительные изменения. Изменились не только строительные материалы и методы постройки, но главным образом парусное вооружение, конструкции двигателей и электротехническое оборудование. Для постройки яхт из традиционных материалов — дерева, стали и алюминия — разработаны интересные и рациональные технологические методы. Даже такой необычный судостроительный материал, как армоцемент, нашел сторонников среди любителей, строящих яхты самостоятельно.
Чтобы создать достаточно убедительную с профессиональной точки зрения книгу о современной постройке яхт, автор обратился к специалистам ряда смежных областей (по электротехнике, машиностроению, оснастке и т. п.). Над разделами, посвященными установке двигателей и электрооборудованию, работали соавторы Лотар Лютьен и Иоахим Мус. По вопросам других сугубо специальных областей судостроения были привлечены признанные авторитеты. В данном случае автор следовал испытанной практике современного яхтостроения, при которой наилучший результат достигается работой группы специалистов, координируемой руководителем проекта.
Чтобы не расширять рамки книги, в которой должны рассматриваться различные и обширные области судостроения, автор сознательно сократил объем специальных знаний и старался избежать большого количества формул, отличающих книги, издаваемые для специалистов. Предполагается, что читатель обладает минимальными знаниями в области современной техники.
Профессиональные методы постройки яхт, требующие за-тРат, рассмотрены в книге лишь информативно, а упрощенные методы описаны достаточно подробно с привлечением сведений 0 применяемых материалах и их обработке.
ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА
1.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА КОРПУСА И СПОСОБА ПОСТРОЙКИ
В яхтостроении предпочтение отдается конструкции, реализация которой будет материально оправданной, хотя экономическая сторона не всегда стоит на первом плане. Например, при индивидуальной постройке яхты по оригинальному проекту вследствие высоких расходов на изготовление оснастки — матриц и пуансонов — нецелесообразно применять искусственные материалы и конструкции с клееной (формованной) обшивкой из древесины. В данном случае лучше строить судно из дерева с диагональной обшивкой. Изготовление необходимых для этого способа постройки шаблонов поперечных сечений не требует больших затрат.
При серийной постройке яхт целесообразно применять искусственные материалы, чаще всего стеклопластики. Однако и здесь нельзя исключать как вариант постройку клееного из древесины корпуса (для судов, длина которых не превышает 10 м). Сталь или алюминий в качестве материала для корпусов яхт серийной постройки также хороши. Алюминий, хотя и несколько дороже стали, стал очень популярен в США для постройки яхт по типовым проектам. Стоимость алюминиевого корпуса примерно на 50% выше стоимости хорошо построенного корпуса нз стеклопластика, однако расходы на его изготовление составляют только 10 — 20% стоимости полностью укомплектованной яхты. Примерно такое же соотношение затрат и для корпусов, склеенных из дерева. Неудивительно поэтому, что наряду со стеклопластиками дерево и металл все чаще используются в качестве материала для постройки яхт. Если требуется высокая живучесть судна при легкой конструкции, то яхту следует строить только из дерева.
Благоприятное соотношение массы корпуса и длины яхты может быть получено и при постройке корпуса из алюминиевых сплавов. Многие специалисты видят в применении легких сплавов будущее яхтостроения вообще. Это кажется верным для крупных быстроходных моторных яхт и катеров.
Применение легированных и нержавеющих сталей для постройки яхт, наоборот, переоценивают. По сравнению с постройкой яхт из обычной стали это не дает никаких преимуществ в массе и владелец стального судна при соответствующем уходе вРяд ли столкнется с проблемами коррозии.
Тот удивительный факт, что исключительно надежный мате риал — сталь — только в настоящее время получил широко применение в яхтостроении, можно объяснить широким распре странением в наши дни пескоструйной обработки стали и с пассивирования, которые практически устраняют главный неде статок: возможность появления и развития коррозии. У стале как н у других металлов, любой дефект легко обнаружить устранить.
Период расцвета пластмассового судостроения сменилш после многих свидетельств о недостаточной прочности яхт, п строенных из стеклопластика, периодом реалистической оценк качеств этого материала. Любителю-судостроителю едва л стоит останавливать свое внимание на стеклопластике не тол1 ко из-за отсутствия надлежащего оборудования, но даже в то случае, когда расходы на оснастку благодаря использованш матриц, взятых напрокат, могут быть относительно невелик1 Недостаток опыта работы с этим материалом должен побудит любителя отказаться от работы с ним, предоставив это профессиональным верфям.
Столь же затруднительна для любителя постройка яхт из армоцемента. Наряду с таким существенным недостатком, как большая масса, в этом неоднородном материале кроется много возможных дефектов. Как и у стеклопластика, дефекты изготовления из армоцемента часто обнаруживаются только спустя несколько лет. В Австралии и Новой Зеландии, где цена на дерево высока, в течение многих лет в армоцементе видели дешевый заменитель, но сейчас наступил период охлаждения к этому материалу. Продажная стоимость армоцементных яхт низкая, однако экономия средств при постройке корпуса не покрывает технических недостатков армоцемента.
Постройка яхты из металла привлекает любителя прежде всего возможностью создания долговечного и недорогого корпуса, особенно корпуса с двухскуловыми обводами из стали. Корпус с круглошпангоутными обводами целесообразнее строить с клееной деревянной диагональной обшивкой — конструкция, непревзойденная по долговечности и легкости.
1.2. ПРОЕКТ
После выбора материала и четкого определения назначения судна (для дальних спортивных плаваний, туризма или гонок) заказчиком и конструктором решаются такие вопросы, как потребность в спальных местах и санитарных устройствах, тип и мощность механической установки, дальность плавания под мотором, оборудование устройствами для обеспечения безопасности (например спасательные шлюпки), тип парусного вооружения, допустимые уровни шума в каютах, желаемые ходовые качества под парусами и мореходность, уровень комфорта, необходимость установки систем кондиционирования воздуха, опреснителя и других устройств и т. д.
Конструктивные решения должны быть гармонично согласованы между собой. Имеются в виду в основном следующие критерии.
Для катера (моторной лодки): планировка спальных и жилых помещений (по возможности дальше от источников шума, таких как моторы, агрегаты и гребные винты); размещение цистерн (как можно ближе к центру величины по длине — для облегчения дифферентовки при различной наполняемости цистерн); расположение винтов или винта (на возможно большем расстоянии от днища судна и руля — для уменьшения вибрации); применение выпускных газопроводов с глушителями достаточных размеров и забортным выводом по возможности дальше от жилой палубы и жилых помещений; мощность двигателя, обеспечивающая развитие заданной скорости при проектном водоизмещении; мощность генератора, необходимая для питания потребителей электроэнергии.
Для яхты: способность к несению парусов, обусловливаемая остойчивостью и массой балласта; положение центра парусности по высоте и длине относительно центра бокового сопротивления подводной части судна; ограничение осадки; необходимое оборудование палубы; планировка внутренних помещений; изменение положения центра величины при крене; предельные значения в обмере по правилам IOR; обеспечение относительной безопасности от опрокидывания.
Для парусно-моторного судна: в проекте такого судна необходимо учитывать в равной мере основные критерии как парусного, так и моторного судов. Этим, по-видимому, и объясняется тот факт, что сегодня имеется сравнительно небольшое число парусно-моторных судов, удовлетворяющих современным требованиям.
Наряду с названными специальными критериями при проектировании отдельных типов яхт учитывают общие критерии, важнейшие из которых следующие: начальная остойчивость и предельная остойчивость при крене 90°; сопротивление воды движению судна (обычно рассматривают три составляющих его: сопротивление трения, сопротивление формы и волновое); Удельная мощность (отношение мощности на гребном валу к водоизмещению судна); соответствие положения центра тяжести положению центра величины по длине корпуса; площадь руля; Размеры связей набора; учет предписаний по правилам классификационных обществ.
После того как все указанные критерии учтены по степени пх важности и приняты решения об их реализации в проекте, можно приступать к разработке генерального плана проекта. При этом необходимо оценить распределение объемного водоизмещения по отношению к распределению массы и выполнить
эскизную проработку теоретического чертежа судна. Число последовательных приближений зависит от опыта конструктора — начинающему конструктору приходится перерабатывать проект много раз.
1.2.1. Расчет массы и положения центра тяжести судна
Расчет массы и положения центра тяжести судна — кропотливая работа, которая могла бы привести к нужным результатам уже при первом расчете, если бы конструктор знал точное значение массы всех деталей корпуса и оборудования. При этом расчете ведут отсчет плеч — расстояний центров тяжести отдельных элементов конструкции или деталей от основной линии (ОЛ) и мидель-шпангоута. Значения плеч вписывают в одну из колонок расчетной таблицы. В другой колонке проставляют массы соответствующих элементов, в третьей — моменты, полученные умножением плеча на массу данного элемента. Сумма моментов, разделенная на сумму всех учтенных масс, дает расстояние центра тяжести судна от соответствующей плоскости (по высоте — от ОЛ; по длине — от миделя).
При эскизной проработке проекта для небольших парусных яхт иногда выполняют еще расчет на безопасность от опрокидывания при крене 90°.
При первом расчете массы и положения центра тяжести неизбежны некоторые допущения. В то время как размеры деталей корпуса можно установить из сравнительных данных по другим подобным проектам, для яхт со значительным насыщением механическим и электротехническим оборудованием часто трудно определить массу соответствующего оборудования. Это относится прежде всего к системам трубопроводов и кабелей, масса которых на больших яхтах может составлять несколько тонн. Кроме того, при предварительном расчете отсутствуют точные данные о массе отдельных элементов устройств и оборудования. Конструктор обычно руководствуется сравнительными данными по отдельным группам массовой нагрузки. Это, естественно, не исключает повторного детального расчета массы элементов устройств и оборудования, даже если уже выполнены расчеты прочности и остойчивости и проведены буксировочные испытание модели с последующей корректировкой обводов корпуса. При отсутствии достаточного конструкторского опыта нередко приходится проводить больше двух расчетов массы и положения центра тяжести.
1.2.2. Разработка теоретического чертежа и расчет водоизмещения
Следующим этапом проектирования яхты является разработка теоретического чертежа и расчет водоизмещения.
Масштаб теоретического чертежа целесообразно выбрать таким, чтобы впоследствии его можно было использовать также для проектирования общего расположения яхты. Основу чертежа составляет сетка из линий теоретических шпангоутов, ватерлиний, батоксов и рыбин, которые наносят на прозрачную пленку с обратной стороны. Это позволяет в дальнейшем корректировать линии, пользуясь резинкой, без нарушения линий сетки, проведенных с большой точностью.
Сначала вычерчивают контуры бокового профиля и палубы, а также обвод мидель-шпангоута, затем — обводы других теоретических шпангоутов, рыбин и ватерлиний. При проектировании обводов шпангоутов и ватерлиний конструктор преследует цель обеспечения самого благоприятного обтекания корпуса, необходимой остойчивости формы и эстетического внешнего вида судна. Абсолютное выполнение этих условий выражается в точном совпадении предварительно определенного центра тяжести с центром величины подводного объема корпуса по длине, а также в достижении такого водоизмещения, которое было получено из расчета массовой нагрузки.
Распределение водоизмещения по длине является критерием, которому при проектировании быстроходных судов придают все большее значение. Обводы парусных яхт, кроме того, должны быть рассчитаны на плавание судна с креном от 0 до 30°. Необходимо, чтобы распределение водоизмещения по длине яхты при изменении крена изменялось как можно меньше. Это старое правило многие конструкторы сегодня забыли.
В то время как едва ли существует сомнение в том, что корпус моторного судна, особенно судна, рассчитанного на глиссирование, должен иметь минимальное водоизмещение, какое только допускают прочность материала и масса устройств, о корпусе парусной яхты этого сказать нельзя. Во-первых, здесь доля балласта является фактором, определяющим способность судна к не.сению парусов, и, во-вторых, ветер часто бывает неравномерным по своей скорости. Яхта с легким водоизмещением при шквале быстро набирает скорость, а после порыва ветра так же быстро теряет ее. Несмотря на успех яхт с малым водоизмещением, особенно при полном курсе (под спинакером), оказалось, что слишком легкое судно на волне в крутой бейдевинд не идет, а «топчется» на месте. Это сопровождается неприятной качкой. Для получения хороших всесторонних качеств яхты рационально, чтобы корпус и оснастка были легкими, как только допускают требования прочности, а общее водоизмещение было выдержано в разумных пределах.
На современных яхтах не применяют больше длинного киля и S-образных шпангоутов, поэтому обводы плавникового балластного киля чаще всего проектируют отдельно от корпуса, подготавливая самостоятельный теоретический чертеж. На общем теоретическом чертеже судна показывают часто только контур киля с основными поперечными разрезами. В послед, нее время для килей используются обтекаемые профили, испытанные в аэродинамической трубе или опытовом бассейне, поэтому конструктору обычно известны центры величины их объема и центры тяжести. При расчете водоизмещения и центра величины судна объемы плавников киля и рулей, как правило, рассчитывают отдельно и наносят на строевую по шпангоутам дополнительно.
Строевая по шпангоутам при нормальном и накрененном положении быстроходных водоизмещающих парусных яхт стала наряду с характерными очертаниями кормовых ветвей батоксов важным критерием при проектировании обводов. Она определяет эффективную длину корпуса по ватерлинии, которая имеет мало общего с теоретической, или конструктивной, длиной по ватерлинии (КВЛ). В принципе конструктор стремится распределить водоизмещение как можно ближе к окончанию ватерлинии в носу и корме. У моторного судна эта тенденция выражается в появлении бульбовидного носа и такой же кормы. У парусной яхты применение носового бульба невозможно из-за плохого поведения яхты на волне, так как при килевой качке он создает повышенное сопротивление. Компромисс был найден в применении относительно полных сечений по носовым шпангоутам. В кормовой части, наоборот, целесообразна концентрация водоизмещения в корпусе яхты, так как здесь несложно обеспечить плавный сток воды. Некоторые конструкторы используют даже перо руля, как тело, имеющее достаточно большое водоизмещение, между тем как существуют обводы корпуса, которые просты н несмотря на это эффективны с точки зрения обмера.
Расчет водоизмещения и центра величины выполняют по правилу Симпсона, вычисляя площади теоретических шпангоутов. Для этой же цели используют планиметр, с помощью которого находят площади шпангоутов и наносят их на строевую по шпангоутам. Обкатав строевую планиметром, определяют водоизмещение. Пользуясь правилом Симпсона, можно быстро найти положение центра величины по длине. Довольно точно это можно сделать, уравновешивая строевую по шпангоутам, вырезанную из бумаги, на острие ножа. Проектирование линий теоретического чертежа с согласованием точек пересечения ватерлиний, рыбин и шпангоутов на всех проекциях, а также получение нужного значения водоизмещения и положения центра величины требует от конструктора терпения, сноровки и опыта.
1.2.3. Прочность и остойчивость
Если конструктор при разработке конструкции корпуса не может использовать данные о размерах связей набора и прочности подобных судов, он должен или детально рассчитать прочность корпуса, или обратиться к предписаниям классификационных обществ, таких, как Германский Ллойд, Английский Ллойд и т. п. Классификационные общества получают почти все сведения о необходимых размерах деталей набора из опыта эксплуатации построенных судов. Однако пользоваться предписаниями классификационного общества целесообразно, когда речь идет о типовых судах. Если же требуется спроектировать чрезвычайно легкое и быстроходное судно, то конструктору лучше обратиться к расчетам прочности.
Выполняют расчеты общей продольной прочности корпуса, местной прочности и проверку на скручивание. Для небольших яхт расчет общей продольной прочности, как правило, не требуется, так как соотношение высоты и длины современных корпусов относительно мало. Даже для больших яхт часто отказываются от выполнения этого расчета из-за его трудоемкости (в связи с необходимостью учета динамики волнения). При этом кривую массовой нагрузки, выведенную из распределения массы корпуса и оборудования судна, сопоставляют с предполагаемым распределением сил плавучести для нескольких случаев в зависимости от того, где находится гребень и подошва волны относительно миделя. При упрощенном методе вершины волны принимают за опорные точки на носовом и кормовом перпендикулярах в местах их пересечения с КВЛ. Возникающее при этом напряжение определяют в явно опасном сечении, в большинстве случаев в середине судна, и оценивают соответствующим коэффициентом прочности, взятым из опыта постройки предшествующих яхт. Но даже и этот значительно упрощенный метод расчета довольно сложен.
К контрольным расчетам местной прочности относится расчет на сжатие корпуса, как и расчеты действующих напряжений в оснастке, руле и креплении балластного киля. Опытные конструкторы используют данные таблиц Ллойда при проектировании яхт облегченной конструкции, уменьшая указанные там размеры элементов набора на определенный процент.
Полный расчет руля и сечения баллера весьма трудоемкий, если не используется компьютер. Хорошие исходные данные и в этом, случае могут быть получены из правил Германского Ллойда. Для выбора размеров сечения мачт и штагов можно еще воспользоваться старым американским методом расчета, в основу которого полагаются данные об остойчивости яхты прй крене 30°.
К расчету местной прочности относится определение размеров крепления балластного киля. У некоторых гоночных яхт с узкими и глубокими килями при больших скоростях хода, особенно под спинакером, появляются значительные переменные нагрузки. Они возникают вследствие косого натекания
потока на киль. Точный расчет этих нагрузок возможен только с помощью компьютера с соответствующей программой, хотя по результатам таких вычислений некоторые конструкторы разработали более простую методику расчета.
До сих пор нет упрощенного метода для расчета сил, скру. чивающих корпус яхты. Киль и руль, с одной стороны, и такелаж, с другой, дают довольно значительный скручивающий момент. У яхты, сконструированной по предписаниям классификационного общества, эти нагрузки учитываются в коэффициентах запаса прочности корпуса. У яхт облегченной конструкции такие нагрузки становятся критическими, нередко возникают усталостные явления.
Для правильного определения размеров всех узлов корпуса на стадии выполнения расчетов прочности необходимо принимать во внимание требования по безопасности. Массу спасательных и противопожарных средств нужно учитывать уже при первом расчете массовой нагрузки. Учитывают также массу аварийного рулевого устройства, максимальные размеры кокпита и минимальные размеры сливных шпигатов. Все классификационные общества включили в свои инструкции соответствующие устройства для обеспечения безопасности плавания, которые рекомендуется использовать для мореходных яхт. Особенно это необходимо, если яхта должна получить класс согласно Правилам постройки. Для 90% парусных яхт, которым не присваивается класс и которые строятся без наблюдения Регистра, целесообразно руководствоваться вновь переработанными в 1974 г. Правилами крейсерского отделения Германского парусного союза. В них содержатся международные и национальные директивы, касающиеся минимального снабжения и оборудования для обеспечения безопасности плавания мореходных парусных яхт на основе требований ORC (Международного комитета океанских гонок), а также вытекающие из этих требований дополнительные рекомендации по безопасности.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
