Кермо високої ефективності на сучасній яхті (Суднобудування.
Кермо на сучасній яхті беззастережно перемістилося зі свого звичного місця біля заднього краю фальшкіля під кормовий підзор. Тепер щодо його форми і розмірів є можливість більшою мірою керуватися вимогами гідродинаміки, ніж звані конструктивними міркуваннями, яких зазвичай вдаються, коли іншого виходу залишається.
У зв'язку з цим цікавить обґрунтування раціонального підходу до проектування кермів, що наводиться англійським дослідником А. Мілуордом, яке в короткому викладі публікується нижче.
Відносне подовження та конфігурація керма
Перекладаючи кермо, ми збільшуємо поперечну силу, що виникає внаслідок обтікання його косим потоком води. Разом з тим зростає і величина лобового опору (фізична картина тут та ж, що і під час руху крила). Ефективність дії керма підвищиться, якщо поперечна сила, необхідна для повороту або утримання яхти на курсі, буде отримана на менших кутах перекладки, коли опір зростає порівняно повільно.
Звернемося до рис. 1. Криві на ньому показують величину поперечної сили, отриману на кермах прямокутної форми та однакової площі, але з різним відносним подовженням, яке для керма прямокутної форми визначається ставленням довжини пера до ширини, а для складних форм - ставленням квадрата довжини до площі. Як видно, наприклад, при перекладці на 10 ° поперечна сила керма з подовженням 3 більш ніж на 30% вище, ніж у рівностороннього (подовження - одиниця). Опір першого керма в цих умовах виходить навіть менше, ніж у другого (рис. 2). З подальшим збільшенням відносного подовження керма виграш з гідродинамічної точки зору стає дедалі меншим.відчутним. Дуже довге і вузьке кермо, крім того, працює ефективно лише при невеликих кутах перекладки (це також видно за характером кривих на графіку).
Насправді доцільно використовувати керма, довжина яких приблизно 2—2,5 разу перевищує ширину. Таке співвідношення розмірів дозволяє зробити кермо досить міцним; до того ж, менше шансів поламати його при плаванні на мілководді, ніж довге кермо більшого подовження.
Величини поперечної сили показані на рис. 1, визначалися в припущенні, що кермо встановлене впритул до корпусу яхти. Насправді між ними залишається зазор, величина якого помітно впливає на ефективність роботи керма. Так, зазор всього 5 мм може знизити поперечну силу керма на 10% і збільшити його опір на 4%.
При обраному відносному подовженні важливе значення має конфігурація пера руля. Його бічна проекція може мати форму від прямокутної до трикутної. Випробування, проведені в басейні, показали, однак, що найменший опір матиме трапецієподібне кермо, у якого верхня сторона приблизно втричі більша за нижню. Найбільш наочно ця залежність показано на рис. 3.
Чи слід закруглювати нижню кромку керма? Відповідь на це питання також було отримано в результаті серії випробувань. Проти очікувань вони показали, що найкраща якість має все ж таки кермо з абсолютно прямим зрізом. Його ефективність, в порівнянні з кермом, що має округлені кінці, була еквівалентна приросту відносного подовження приблизно на 0,04. Будь-які інші форми нижньої кромки керма виявилися неефективними (рис. 4).
З'ясувалося також, що кермо зі значним нахилом до корми, що ефектно виглядає на кресленні, насправді має більший опір, ніж вертикальне. Нахилвизначався кутом, утвореним лінією, що проходить на відстані ¼ довжини хорди від передньої кромки, і вертикаллю. Оптимальний варіант відповідав невеликому (5°) нахилу керма до корми (рис. 5),
Профіль поперечного перерізу
Заслуговують на увагу в основному два види поперечних перерізів кермів: нормальний профіль (серії NACA-00) з максимальною товщиною приблизно на третині відстані від передньої кромки крила і ламінізований профіль, або профіль малого опору (серії NACA-66), у якого найбільша ширина знаходиться на середині між передньою та задньою кромками. Характеристики ламінізованого профілю розраховуються на отримання низького опору при незначній поперечній силі.
Зі збільшенням кута перекладки більше 3" керма такого перерізу втрачають свою перевагу, як це можна бачити на рис. нормальним профілем завжди дорівнює чи більше, особливо за великих кутах перекладки, ніж за профілі малого опору (рис. 7).
Дослідження впливу відносної товщини нормального профілю (відносини найбільшої товщини до хорди) на ефективність роботи керма показало, що хоча найтонший з розглянутих кермів (6%) має найменший опір при нульовій поперечній силі, тобто до перекладки, гідродинамічна його якість у реальних умовах значно гірше, ніж у кермів з 9- та 12-відсотковим профілями (рис. 8). Найтовстіший 12-відсотковий профіль мав трохи більший опір, ніж 9-відсотковий, на кутах перекладки до 7°. Однак зрив потоку на стороні розрідження, що призводить до різкого падіння поперечної сили та зростання опору, у ньогопочинався при перекладці на 16 °, тоді як у 9-відсоткового він наступав при 13 °, а у 6-відсоткового - при 9 °.
Балансування керма
У більшості профілів центр застосування сил розташований на ¼ хорди від передньої кромки. Якщо балер проходить через цю точку, то для перекладки керма та утримання його на місці не потрібно жодних зусиль. Однак у цьому випадку керма погано відчуває кермо. Якщо змістити вісь керма ближче до кормової кромки, то при будь-якому його відхиленні виникає сила, яка прагнутиме вирвати румпель із рук кермового. Очевидно, балер повинен проходити в ніс від лінії, що проходить на ¼ хорди від передньої кромки. Тоді кермо при будь-якій перекладці прагнутиме повернутися у вихідне положення.