Эта статья впервые была опубликована на моем же сайте «Тамак Парус«.

Но со временем эти два проекта сольются вместе. И «Арагаст. Парус для всех!» станет основным.

Поэтому постепенно перетягиваю все полезное с ТаМака.

При переносе в статью внесены мелкие поправки.



Летучее проа (1)

Данная статья рассчитана на не специалистов. Поэтому в ней не применяются формулы, а рассуждения максимально упрощены.

Речь будет идти только о тихоокеанском (летучем) проа, которое будет называться просто проа. Краткое описание атлантического проа можно прочитать в статье «Многокорпусные суда».

Проа существует уже несколько тысяч лет, но широко применяется только в месте своего возникновения – на островах Тихого океана (в Полинезии и Микронезии).

В отличии от катамаранов, которые родом из тех же мест, что и проа, в западном мире его строят исключительно малочисленные энтузиасты. А многие вообще не слышали о существовании такой лодки…

Итак тихоокеанское (летучее) проа – это парусное (иногда парусно-гребное) судно, имеющее очень длинный и узкий основной корпус. Остойчивость (сопротивление опрокидыванию) обеспечивается балансиром (аутригером), расположенным со стороны, откуда дует ветер (с наветра), и перемещением экипажа по поперечным балкам. В нормальном режиме хода аутригер не касается воды (летит над водой) – отсюда и название «летучее проа». Поворот или смена галса такого парусного судна (о галсах и поворотах можно прочитать в статье «Курсы, галсы, повороты, лавировка») осуществляется переносом паруса с одной оконечности основного корпуса на другую. При этом нос и корма судна как бы меняются местами и лодка идет «задом-наперед».

В ролике можно посмотреть процедуру поворота на проа.

Кстати, до сих пор не сложились даже правила грамматики для слова «проа» — мне встречалось употребление его как в мужском роде («летучий проа»), так и в среднем («летучее проа»). Как правильно? Похоже, что никто не знает.

Могут ли суда, построенные по схеме «проа» составить конкуренцию современным яхтам? Или это «каменный век», тупиковая ветвь развития средств передвижения по воде?

Конечно, люди, тысячи лет назад создавшие проа, меньше всего думали о лодке как о «яхте» — т.е. о судне, предназначенном для отдыха, развлечения и спорта. Не сильно они заморачивались вопросами безопасности, больше полагаясь на собственную ловкость, чем на какие-то элементы конструкции, обеспечивающие надежность. И уж совсем не занимались они комфортом.

На тихоокеанских островах жизненно необходима лодка как для рыбной ловли, так и для дальних переходов между островами. При этом там тотальный дефицит всего. Даже древесина для постройки есть только на достаточно крупных островах. Но и там ее не много. Так что строить большие суда на европейский манер не было никакой возможности.

Кроме минимального расхода материалов, от полинезийской лодки требовалась высокая скорость. Ведь скорость — это фактор безопасности для маленького суденышка, возможность «убежать» от непогоды и «спрятаться» на берегу. Требовалась и малая осадка — возле островов Тихого океана очень много коралловых рифов и мелей, и судну с осадкой более метра уже может быть проблематично найти проход.

Вот под такой набор требований и создавался проа.

Но, может быть, в современном мире лодки типа проа не имеют никаких преимуществ перед более привычными типами яхт? Попробуем разобраться…

Сразу договоримся — невозможно создать «идеальную» лодку, которая была бы лучше других по любому признаку. Нужно выбрать самые важные для данного случая характеристики, и оптимизировать конструкцию именно под них.

Итак, нам требуется лодка, развивающая максимальную скорость и имеющая минимальный вес (как следствие этого — минимальный расход материалов при постройке и минимальная осадка). Кроме того, требуется довольно высокая мореходность — возможность движения в условиях волнения на море. Комфортабельность не является приоритетной характеристикой.

Ходовые качества (скорость) любого судна определяются двумя характеристиками — сопротивлением среды движению нашего судна, и тягой, развиваемой движителем (в нашем случае — тягой парусов).

Для простоты представим, что паруса у нас везде одинаковые. И, значит, разница в скорости будет зависеть исключительно от сопротивления корпуса каждого типа судна.

Наука гидродинамика говорит, что сопротивление среды состоит из трех составляющих: сопротивления трениясопротивления формы и волнового сопротивления. Интересно, что сопротивление воды и воздуха вычисляется одинаково, но, поскольку плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды, то и сопротивляется он во столько же раз меньше. Вывод — сопротивлением воздуха для наших, очень приблизительных, расчетов можно пренебречь.

Сопротивление трения возникает из-за того, что вода обладает какой-то вязкостью и как бы приливает к поверхности обшивки корпуса лодки. Чтобы трение было минимальным нужно, чтобы площадь обшивки, смоченная водой, была минимальной (т. е. размеры должны быть как можно меньше). Но еще более важно, чтобы поверхность была чистой и гладкой.

Любую лодку можно очистить и обработать современными средствами так, что ее сопротивление трения будет минимально возможным. Проа по этому параметру не отличается от других типов судов. Хотя погруженная площадь обшивки длинного и узкого корпуса больше, чем у короткого и широкого. Значит, и сопротивление трения у него будет несколько больше. Это компенсируется тем, что доля сопротивления трения в общем сопротивлении судна велика только на очень малых скоростях. С ростом скорости его влияние резко падает.

Сопротивление формы характеризуется образованием вихрей при отрыве потока воды от корпуса. Все видели кильватерную струю за лодкой? Это и есть вихрь, образовавшийся в результате отрыва потока. На его образование и поддержание тратится энергия движителя, а, значит, снижается скорость.

Сопротивление формы повышают любые выступающие части (кили, рули, головки крепежа), а также любые резкие перегибы формы корпуса (например, острые скулы). Корпуса большего удлинения (меньшей ширины при той же длине) имеют меньшее сопротивление формы, чем более широкие корпуса.

По этому параметру узкий и длинный корпус проа имеет преимущество перед большинством привычных нам яхт.

Волновое сопротивление. При движении любой лодки хорошо видно расходящиеся волны, которые зарождаются в носу и в корме. На их создание тратится энергия и, соответственно, снижается скорость движения.

По мере роста скорости судна длина этих волн будет увеличиваться. И, в какой-то момент, лодка окажется «зажатой» между двух гребней — в носу и в корме. В этот момент волновое сопротивление корпуса лодки резко возрастает — она как бы пытается забраться на волну, которую сама же и нагнала. На какой именно скорости это произойдет зависит от длины корпуса по ватерлинии (линии раздела между водой и воздухом). Чем длиннее ватерлиния, тем большую скорость может развить лодка прежде чем столкнется с этим «горбом сопротивления». При длине корпуса по ватерлинии 5 м «горб сопротивления» возникнет при скорости примерно 12,5 км/ч (6,75 узла), а при длине 10 м — 17,7 км/ч (9,5 узлов).

Если после достижения скорости «горба сопротивления» начать увеличивать мощность двигателя или площадь парусности, то скорость будет расти крайне незначительно.

Это так называемый «водоизмещающий режим» движения, когда поддержание судна на воде происходит только за счет гидростатической (Архимедовой) силы.

Вывод — с точки зрения волнового сопротивления длинный корпус проа имеет неоспоримое преимущество перед более короткими корпусами.

Но, может можно преодолеть «горб сопротивления»?

Можно. Если применить широкое и плоское днище и достаточно мощный двигатель (достаточно большую площадь парусности при достаточно сильном ветре), то возникнут гидродинамические силы поддержания, корпус всплывет, его сопротивление резко снизится, и лодка перейдет в режим глиссирования. Еще большего эффекта можно добиться при применении подводных крыльев. И уж совсем распрощаться с сопротивлением воды можно, применив схему экраноплана (аппарат, для полетов на сверхнизких высотах, использующий «экранный эффект» — резкое увеличение подъемной силы крыльев при полете над поверхностью земли или воды). Моторные катера-экранопланы известны уже довольно давно, а вот парусные — это фантастика.

В общем, уже давно строятся весьма быстроходные парусные глиссирующие яхты привычного вида. Так зачем нужно проа?

Вспомните, в требованиях на лодку мы указывали мореходность — способность двигаться в условиях значительных волн.

А движение глиссирующих судов или судов на подводных крыльях в этих условиях практически невозможно — они будут испытывать очень сильные удары о волны. Вплоть до разрушения конструкции.

Кроме того, даже специально спроектированному глиссеру для преодоления «горба сопротивления» требуется значительная мощность. Если мощности не хватит (например, дует слишком слабый ветер для парусника), то такое судно будет двигаться «медленно и печально».

Для комфортного (относительно, конечно) движениях в условиях волнующегося моря требуется водоизмещающее судно с килеватыми обводами (обводы днища похожи на V). Проа вполне подходит для таких условий.

А почему для проа можно строить очень длинные и узкие корпуса (удлинение, отношение длины к ширине — порядка 15), имеющие минимальное сопротивление формы и волновое сопротивление, а для традиционных «европейских» типов яхт нельзя?

Проблема в обеспечении остойчивости — способности судна противостоять опрокидыванию.

Думаю, что для всех очевидно — давление ветра на паруса или смещение груза (команды и пассажиров) на один борт приводит к крену судна. При этом один борт погружается в воду сильнее и на нем возникает дополнительная сила плавучести (Архимедова), которая старается вытолкнуть этот борт из воды. Одновременно часть противоположного борта выходит из воды и вес этой приподнятой части борта также старается привести лодку в первоначальное положение. Эта пара сил (плавучести и тяжести) создают момент противодействия крену. Совершенно очевидно — чем больше ширина корпуса, тем больше рычаг этих сил, тем больше момент восстановления и тем больше остойчивость лодки. Описанное явление называется остойчивостью формы. Именно таким образом обеспечивается остойчивость швертботов. Повысить их остойчивость можно размещением перемещаемого груза (обычно экипажа) на наветренном борту (этот борт под действием давления ветра на паруса поднимается из воды).

Остойчивость швертбота

Остойчивость швертбота. ЦТ — центр тяжести лодки, ЦВ — центр величин (точка, к которой приложена сила плавучести). Плечо — плечо рычага сил, препятствующих крену. (Рисунок взят из книги С. Ветрова «Пионерская судоверфь»)

Остойчивость швертбота при откренивании его экипажем

Остойчивость швертбота при откренивании его экипажем. (Рисунок взят из книги С. Ветрова «Пионерская судоверфь»)

Но, увеличивая ширину корпуса (остойчивость формы), мы увеличиваем площадь подводной части (сопротивление трения) и снижаем удлинение корпуса (увеличиваем сопротивление формы). В результате, при том же парусном вооружении скорость падает.

Кроме того — увеличить ширину корпуса, значит израсходовать больше материалов на его изготовление и заплатить большую стоимость.

Одно из достоинств лодок подобного типа в том, что их легко сделать непотопляемыми — в корпус встраивают отсеки плавучести разнообразных конструкций. Даже полностью залитая водой лодка останется на плаву.

Остойчивость можно обеспечить и другим методом — применить тяжелый груз (балласт), закрепленный как можно ниже под корпусом. Яхты с таким грузом приобретают свойства куклы-неваляшки — как только пропадает кренящее усилие, они тут же становятся в прямое положение. Более того, известны случаи, когда сильным порывом ветра подобные лодки опрокидывались мачтой вниз, но тут же вставали, делая полный оборот. Яхты с таким методом обеспечения остойчивости называются килевыми. Их огромное достоинство — остойчивость обеспечивается автоматически. Перемещение груза и экипажа, конечно, влияет на нее, но в намного меньшей степени, чем на других типах яхт.

Остойчивость килевой яхты

Остойчивость килевой яхты. Фальшкиль — элемент конструкции, содержащий балласт. (Рисунок взят из книги С. Ветрова «Пионерская судоверфь»)

Килевые яхты могут иметь большое удлинение корпуса без потери общей остойчивости. Но такие лодки, из-за низкой остойчивости формы, приобретают свойство, которое называют «валкостью» — даже при незначительном воздействии они приобретают значительный крен. А ведь крен на парусном судне — это не только не комфортно, но еще и снижается эффективность парусного вооружения.

Кроме того у килевых яхт есть еще два серьезных недостатка.

Первый — очень большой и «бесполезный» вес балласта. Бесполезный в том смысле, что это не какой-то груз, не запасы провизии или пресной воды и не вес пассажиров. Это просто очень тяжелая (до половины общего веса или водоизмещения яхты) свинцовая или чугунная болванка, которую приходится таскать с собой всегда, даже когда угрозы опрокидывания нет. Этот балласт повышает площадь подводной части яхты, а значит повышает сопротивление трения. На перемещение такой большой массы тратится энергия. И все это приводит к снижению скорости. Крепление балласта требует специальной, усиленной конструкции корпуса яхты. А это снова увеличивает вес всего судна. Ну и, конечно, все это приводит к резкому увеличению стоимости. Из-за наличия балласта практически невозможно сделать килевую яхту непотопляемой — будучи залитой водой она пойдет ко дну.

Вторая — балласт тем эффективнее, чем глубже он расположен (увеличивается плечо рычага). Это приводит к резкому увеличению осадки яхты. Даже на небольших килевых яхтах приходится возить лодки-тузики, потому что яхты во многих местах не могут подойти к берегу из-за большой осадки.

Перечисленных выше недостатков лишены многокорпусные суда — катамараны и тримараны.

Проа тоже относят к многокорпусным судам. Хотя это, на мой взгляд, не совсем правильно. Но этот вопрос обсудим позже.

Дальше мы будем говорить о катамаране, но те же рассуждения пригодны и для тримаранов.

Катамаран — имеет два корпуса, разнесенных на некоторое расстояние мостиком или рамой. Не имеет балласта.

Высокая остойчивость катамарана обеспечивается относительно большим расстоянием между корпусами. Большое плечо сил, противодействующих крену, создает большой восстанавливающий момент. При этом корпуса могут иметь очень большое удлинение. Значит общее сопротивление катамарана невелико.

Остойчивость катамарана

Остойчивость катамарана. Рисунок взят из книги С. Ветрова «Пионерская судоверфь»

Но у катамарана есть своя специфика. Его корпуса расположены все-таки достаточно близко друг от друга. И волны, расходящиеся от корпусов, испытывают явление интерференции (взаимовлияние при наложении волн). На это расходуется энергия движения. Соответственно, снижается скорость. Чтобы снизить это явление стараются корпуса разнести на как можно большее расстояние. Но при этом увеличивается габаритная ширина и возникают определенные проблемы с обеспечением прочности мостика. И полностью устранить взаимовлияние корпусов все-равно не получается.

Правда, катамаран может ходить на одном корпусе. Все указанные выше недостатки исчезают и достигаются действительно рекордные скорости. Но резко повышаются требования к квалификации экипажа — после отрыва наветренного корпуса от воды, остойчивость катамарана снижается (обратите внимание на рисунок, на котором изображена схема сил, создающих остойчивость катамарана — когда наветренный корпус оторвался от воды, плечо сил резко уменьшается), а риск опрокидывания, соответственно, растет. Кроме того, крен катамарана снижает эффективность парусов.

Катамаран на ходу на одном корпусе

Катамаран на ходу на одном корпусе. На фотографии — туристский разборный катамаран AlexCat

Повысить эффективность парусного вооружения в этих условиях можно очень просто — заранее устанавливаем мачту с наклоном в сторону наветренного борта примерно 10°-15°. Тогда при рабочем крене паруса будут стоять ровно и работать максимально эффективно.

Что делать с наветренным корпусом, который на ходу не касается воды? Ведь такой размер его теперь не нужен, и даже вреден. Этот корпус не создает силы плавучести, поскольку находится в воздухе. Имеет массу, на перемещение которой тратится энергия. Для его крепления требуется довольно сложный и тяжелый мостик (вообще, прочность мостиков катамаранов — это отдельная, большая и сложная тема). Мостик, кроме корпусов и полезного груза, нагружен еще и мачтой с парусным вооружением (это в классической схеме катамарана, существуют катамараны с «параллельным» вооружением, когда на каждом корпусе установлено по отдельной мачте, но таких очень мало).

Устанавливаем мачту на основном (подветренном) корпусе, благодаря этому разгружаем мостик. Наветренный корпус уменьшаем до минимальных размеров — его плавучести должно хватать только на то, чтобы не тонуть, когда наша лодка неподвижна. Весь неподвижный полезный груз (еда, вода, запасы) будет размещаться в основном корпусе.

Сэкономленную на наветренном корпусе и мостике массу можно использовать двумя путями:

  1. можно просто получить более легкую и дешевую лодку при том же парусном вооружении;
  2. а можно удлинить основной корпус при той же массе и парусном вооружении; т. е. мы уменьшим сопротивление формы благодаря большему удлинению и повысим предельную скорость водоизмещающего режима движения благодаря более длинной ватерлинии.

Но у катамарана при поворотах наветренный и подветренный корпуса меняются местами. Наша лодка так делать не может — «недоразвитый» наветренный корпус-аутригер не может выполнять функции основного подветренного.

Что ж, делаем корпуса симметричными относительно миделя (т. е. нос и корма становятся одинаковыми). При поворотах парус переносим не с борта на борт, как на «европейских» парусниках, а с носа в корму. И идем «задом-наперед».

Осматриваем получившееся изделие и понимаем, что только что превратили (мысленно) катамаран в самое настоящее летучее проа — лодку, которая соответствует тем условиям, которые мы задали сами себе в начале статьи: минимальная масса и осадка, максимальная скорость в водоизмещающем режиме.

Получилось ли у нас идеальное судно?

Конечно же, нет. Ведь от судна требуется не только скорость и минимальная осадка. Еще необходимо обеспечить безопасность, удобство и легкость управления, а так же комфортные условия для экипажа.

По поводу удобства управления. Переносить парус с одной оконечности на другую — это, конечно, совсем не так удобно, как просто пропустить гик над головой. Но это еще не вся проблема.

Любое парусное судно должно быть настроено — произведена центровка, зафиксировано определенное положение центра парусности (ЦП) относительно центра бокового сопротивления (ЦБС). В идеале эти две точки должны располагаться на одной вертикальной линии. Тогда судно будет идти строго по своему курсу и не требовать корректировки рулем (а ведь каждое движение руля — это потеря скорости и определенные усилия со стороны экипажа). Такой идеал практически не достижим, но на судах «европейского» типа к нему более-менее приближаются. А вот на проа это сделать сложно — ведь центр парусности на каждом повороте будет смещаться вдоль судна. Значит, нужно смещать и элементы, обеспечивающие боковое сопротивление (кили, шверты и т. п.). Тем более, что при поворотах это надо делать быстро. Конечно, все это возможно, но конструкция и управление усложняется.

Комфортабельность — понятие относительное. Поговорим о нем чуть позже, когда будем обсуждать сферы применения проа в современном мире.

Безопасность. Будем считать, что наша конструкция обеспечивает такие факторы безопасности, как плавучесть и непотопляемость (на судне без постоянного балласта их обеспечить относительно несложно). И поговорим подробнее об остойчивости проа.

Остойчивость бывает продольная (сопротивление опрокидыванию через нос/корму) и поперечная (сопротивление опрокидыванию на борт). У классических однокорпусных судов продольная остойчивость во много раз превышает поперечную, ее обычно даже не рассчитывают при проектировании. А вот у катамаранов продольная остойчивость сравнима с поперечной, а иногда даже меньше ее. Поэтому бывают случаи переворота катамаранов через нос. У тримарана отношение продольной и поперечной остойчивости сильно зависит от соотношения размеров основного корпуса и аутригеров (боковых корпусов). Проа ведет себя как обычное однокорпусное судно — его продольная остойчивость намного выше поперечной (вот причина того, почему лично я не считаю проа многокорпусным судном).

Поперечная остойчивость проа практически полностью зависит от величины и расположения груза (экипажа) на поперечных балках, соединяющих основной корпус с аутригером. Чтобы обеспечить оптимальный режим движения проа (когда аутригер «летит» над самой поверхностью воды) есть два канала управления:

  • грубый — перемещением членов экипажа по поперечным балкам;
  • тонкий — потравливая и подбирая шкоты паруса можно регулировать в некоторых пределах кренящий момент.

Успешно управлять проа можно только сочетая оба этих метода, т. е. рулевой и экипаж должны быть хорошо натренированы.

Если вдруг произойдет резкое усиление ветра и экипаж не успеет сместиться в сторону аутригера, произойдет потеря остойчивости и опрокидывание. Энтузиасты уже придумали некоторую страховку от этого — с подветренного борта вплотную к основному корпусу устанавливается страховочный поплавок. На ходу он не касается воды и не создает дополнительного сопротивления. Но при резком увеличении крена входит в воду и своей плавучестью помогает откренить лодку. Страховка эта, конечно, не стопроцентная. Но может дать чуть-чуть времени экипажу отреагировать на возникшие обстоятельства.

Проа со страховочным поплавком

Если учесть все вышесказанное, какой видится сфера применения проа в современном яхтинге?

Мне кажется проа были бы отличными лодками для развлечения (пляжными парусниками) и судами для гонок на коротких дистанциях (по прямой или на треугольнике).

Необходимость очень внимательно отслеживать каждый порыв ветра и солидная физическая нагрузка при откренивании, а также необходимость быстро и четко выполнять сложные действия при поворотах является достоинством таких яхт. Отсутствие элементов комфорта не является недостатком.

Сложнее обстоят дела с проа для дальних (крейсерских) плаваний.

В принципе это возможно. Островитяне Тихого океана реально проходили сотни и тысячи миль на проа без захода на берег. Но это делалось на больших проа с большими экипажами. Когда была возможность спать по очереди, и при этом на вахте достаточно людей, чтобы реагировать на сюрпризы моря и ветра.

Кроме того, создать комфортные, с европейской точки зрения, условия на борту проа очень сложно. В очень узком основном корпусе для этого мало пространства.

Так что разработка надежного и безопасного (по европейским нормам) крейсерского проа, с моей точки зрения, является утопией.

Напоследок — видео с Конференции конструкторов проа, проходившей в Польше в 2015 году (Baltic Proa Conference 2015).

P.S. В этой статье тема проа еще далеко не раскрыта, так что продолжение все-таки следует…