Проектирование швертбота для первоначального обучения юных яхтсменов

1. Введение
История развития парусного туризма на Телецком озере

В Республике Алтай расположено Телецкое озеро. Это второе в России, и двадцать пятое в мире озеро по глубине! В этом естественном резервуаре хранится сорок кубических километров чистейшей пресной воды. Этой воды хватит, чтобы напоить население Земли в течение восьми лет! На побережье озера расположен крупнейший в России Алтайский природный заповедник. В зеркале озера отражаются бездонное небо и высокие горы с грозными скалами и дремучими лесами на склонах (рис. 1).

Рис. 1. Озеро Телецкое, смотровая площадка, с. Яйлю

Ветро-волновые условия акватории Телецкого озера в летние месяцы позволяют неопытным туристам испытать все прелести неторопливой гребли и получить первоначальные навыки хождения под парусом, под присмотром опытных инструкторов. Господствующие ветры довольно четко изменяют направление и скорость в течение суток. В утренние часы преобладают ветры восточных и юго-восточных направлений, стихающие к полудню. Такие ветры на озере называют «верховка». После полуденного штиля постепенно усиливаются к вечеру воздушные потоки северных и западных румбов, именуемые «низовка». Получается, что направление ветра над акваторией в течение дня меняется по часовой стрелке.

На Телецком озере в прошедшие годы был накоплен значительный опыт по использованию весельно-парусных лодок для туризма. В 1950-е годы на турбазе «Золотое озеро» для путешествий туристов по озеру был разработан туристский маршрут №476 «По Телецкому озеру», который продолжал действовать до начала 1990-х годов.

Первоначально турбаза располагала деревянными спасательными шлюпками с веслами и люгерным парусом. Оранжевые паруса на глади Телецкого озера запомнили тысячи организованных туристов, приезжавшие в Горный Алтай со всего Советского Союза. Маршрут шлюпок пролегал вдоль берега озера. Два дня на турбазе отводились для подготовки к выходу на маршрут, знакомству со шлюпками, тренировочному походу до красивого Каменного залива. Три дня на веслах и под парусом до южного плеса, дневка в приюте, расположенном в устье Чулышмана, и в обратный путь к истоку озера, к причалу турбазы. Надежные, неприхотливые, но и неторопливые спасательные шлюпки постепенно приходили в негодность.

В 1969 году флотилия турбазы пополнилась весельно-парусной лодкой, построенной в Артыбаше, на стапеле у воды. «Дракон» Телецкого озера на долгие годы стал визитной карточкой турбазы «Золотое озеро». В конце 1980-х годов эта лодка уже стала легендой (рис. 2).

Рис. 2. «Дракон» Телецкого озера, 1970-е годы.

Следующий этап применения паруса для туризма на Телецком озере, связан со шлюпками Ял-6. Эти шлюпки приняли нынешний, хорошо знакомый морякам облик, еще пару веков назад. Шлюпки турбазы «Золотое озеро» исправно обслуживали отдых туристов. Парус и весла были равноправными помощниками в недельном путешествии. Пока в конце 1980-х годов не случилось несчастье. Женщина-инструктор не упредила вырвавшийся из ущелья шквал, «шестерку» перевернуло. Погибли люди. Телецкое озеро показало, что не терпит невнимательного к себе отношения. На шлюпках турбазы было запрещено использовать паруса. Сейчас несколько пластиковых Ял-6 используются в весельно-моторном варианте.

В 1990 году на Телецком озере появились первые яхты. Яхтсмены из Новосибирска завезли на озеро несколько небольших крейсерских яхт проекта «Ассоль». Яхты предназначались для катания западных туристов, приезжавших посмотреть на таинственную Сибирь. На одном из пляжей южного плеса возник городок с комфортабельными палатками, с дизель-генератором. Это был первый опыт по коммерческому использованию паруса на озере. Несколько лет назад оставшиеся на озере яхты погибли в пожаре.

На акватории Телецкого озера, площадью 223 км2 базируются всего три яхты. На южном плесе содержит крейсерский швертбот ЛЭС-22 предприниматель из Новосибирска яхтенный капитан В. Ионко. На севере озера, где расположено большинство турбаз, базировался крейсерский швертбот «Юнона», построенный яхтенным капитаном А. Вялковым из Барнаула. От желающих совершить прогулку под парусами не было отбоя. В 2009 году швертбот был поврежден паводком и увезен в Барнаул. В 2005 году на Телецком озере поднял паруса швертбот «Валькирия», проект «Скат» (рис. 3). Это первая крейсерская яхта, построенная в Республике Алтай. «Валькирия» принадлежит членам Горно-Алтайского яхт-клуба «Алые паруса». В 2009 году подняла паруса шхуна «Касатка», построенная А. Глебовым в Горно-Алтайске.

Рис. 3. Крейсерский швертбот «Валькирия». Первая крейсерская яхта, построенная в г. Горно-Алтайске.

Люди, побывавшие на Телецком озере, получают огромное удовольствие от созерцания величественной природы. Еще большее удовольствие получают участники программы «Алые паруса – детям», которые могут промчаться на белокрылом паруснике по волнам священного Алтын-Келя, оседлав ветер. Чтобы ощутить всю прелесть общения с живыми ветром и водой, нужно сначала построить собственные парусники.
Осенью 2001 года участниками Региональной общественной организации «Клуб «Хранители озера» была разработана программа «Алые паруса – детям». Цель создания программы – использование занятий парусным спортом и туризмом для экологического воспитания и реабилитации детей Республики Алтай на Телецком озере. В 2002 году при финансовой поддержке Детского фонда ООН (ЮНИСЕФ) в Горно-Алтайске было построено три швертбота детского класса «Оптимист». Всего с 2002 по 2009 годы было построено восемь спортивно-тренировочных швертботов, похожих на швертботы международных детско-юношеских классов «Оптимист» и «Лазер», крейсерские швертботы «Валькирия» и «Касатка».
За период с 2002 по 2006 годы ежегодно проводились детские летние школы программы «Алые паруса – детям». Летние лагеря проходили на базе Алтайского государственного природного заповедника в поселке Яйлю, а также в заливе Айрыташ. В программе участвовали в разные годы ребята из Горно-Алтайского детского дома, участники программы «Озеро Чудес» Комитета по делам молодежи Республики Алтай, а также старшеклассники г. Горно-Алтайска на средства, выделенные городской администрацией.

В апреле 2005 года состоялась государственная регистрация Региональной общественной организации Горно-Алтайский яхт-клуб «Алые паруса». Учредителями стали жители Республики Алтай из г. Горно-Алтайска, с. Артыбаш, пос. Яйлю.

В 2008 году началось сотрудничество яхт-клуба «Алые паруса» с Горно-Алтайским городским домом детского творчества «Адамант». Результатом сотрудничества стала совместная программа «Алые паруса – детям» по организации занятий парусным маломерным судостроением, спортом и туризмом при школе искусств «Адамант».

В Горно-Алтайской школе искусств «Адамант», весной 2009 года начала работу мастерская маломерного парусного судостроения. Клуб «Хранители озера» и яхт-клуб «Алые паруса» передали мастерской три маленьких парусных лодки. Это самодельные швертботы длиной 2,5 метра (рис. 4). У них имеется шверт – выдвижной плавник под днищем лодки. Лодки, построенные в Горно-Алтайске, подняли свои паруса над водами Телецкого озера восемь лет назад. Они показали хорошие парусные качества. Однако поддерживать их в исправном состоянии становится все трудней. Пришло время для создания новых парусников.

Рис. 4. Спортивно-тренировочный швертбот, с. Артыбаш, 2009 год.

Цель

Цель проектирования швертбота для первоначального обучения юных яхтсменов – овладение основами проектирования маломерных парусных судов, для последующего их строительства в мастерской, и эксплуатации во время летних экспедиций на Телецком озере.

Задачи

Задачи, решаемые при проектировании швертбота – формирование знаний, умений и навыков по устройству, технологии строительства и эксплуатации маломерных судов, в процессе их создания и использования в походах.

Новизна

Ранее проекты парусных лодок для путешествий по Телецкому озеру создавались взрослыми яхтсменами. Подростки периодически привлекались к постройке лодок. Впервые, при проектировании швертбота для первоначального обучения юных яхтсменов, в мастерской маломерного парусного судостроения проходило обсуждение технического задания к новому швертботу, на занятиях с подростками с учетом их опыта плавания. При разработке проекта применялись компьютерные программы для проектирования судов.

Предмет исследования

Технические материалы по парусным швертботам детско-юношеских классов, их устройству и оборудованию, мореходным качествам с ориентацией на возможность применения в качестве прототипа для первоначального обучения юных яхтсменов на Телецком озере.

Гипотеза

Какой должна быть новая лодка? Эта лодка предназначена для обучения детей парусному делу. Поэтому она должна быть несложной в изготовлении, легкой для управления и безопасной при плавании. На Телецком озере ветер в считанные минуты поднимает волны.
Назначение парусника – обучение детей навыкам строительства малых судов и управлению такими судами.
Во время соревнований швертботом должен управлять один рулевой. На прогулку в лодке можно будет отправляться вдвоем.
По сравнению с прежними швертботами, лодка должна развивать большую скорость.
Швертботы при неудачном маневре могут опрокинуться, поэтому лодка должна быть непотопляемой и легко восстанавливаться.
Лодка должна подходить вплотную к берегу и иметь маленькую осадку.
На швертботе должно быть место для хранения судового имущества и личных вещей экипажа.
Лодка должна быть симпатичной!

Методы работы

Один из основных способов проектирования судов – проектирование по прототипу, использование для начала работы хорошо себя показавшего судна с близкими к техническому заданию характеристиками. Следующий метод – использование для проектирования судов специального программного обеспечения.

Проработка проекта основана на поэтапном вовлечении наиболее важных уравнений проектирования парусных яхт. К ним относятся уравнения, рассматривающие такие свойства и параметры, как нагрузка, компоновка, удифферентовка, дрейф (включая параметры плавника или шверта), продольная центровка по боковым силам (взаимное положение центра парусности и центра бокового сопротивления), управляемость, поведение на волнении, остойчивость ходкость под парусами и другие.

2. Проектирование швертбота

Выбор прототипа

Швертботы, спроектированные в г. Горно-Алтайске в 2001 году имеют длину 2,5 метра, ширину 1,3 метра, площадь паруса 3,5 квадратных метров. Остроскулый корпус швертбота имеет носовой транец – плоский нос. Это конструктивное решение позволяет носу швертбота не врезаться в волну, а подвсплывать на ней. Швертбот имеет палубу в носу, сквозь которую проходит мачта. Шпринтовый парус принят по проекту детских швертботов международного класса «Оптимист». Такой парус имеет форму трапеции и растягивается по диагонали распоркой – шпринтовом, снизу – гиком. Запас аварийной плавучести расположен под центральным поперечным сиденьем.

Несмотря на хорошие мореходные качества для своего размера, швертбот имеет и недостатки. Главный из них – неправильное размещение запаса плавучести. При перевороте, швертбот трудно восстановить в нормальное положение. Отсутствуют места для посадки экипажа. Рулевому приходится сидеть на днище, либо на борту. Шпринтовый парус, простой в управлении, имеющий низкую мачту, не отличается высоким аэродинамическим качеством. Лодки с носовым транцем уступают в эстетичности остроносым судам.

В последние годы для первоначального обучения детей и парусных гонок распространение получил финский пластмассовый швертбот «ZOOM-8» (рис. 5). Он имеет широкий корпус с острым носом, круглоскулые обводы, длину корпуса 2,65 метра и площадь треугольного бермудского паруса 4,8 квадратных метров. Просторный кокпит позволяет отправиться в плавание вдвоем. Наша новая лодка будет иметь близкие длину корпуса и площадь паруса.

Рис. 5. Швертботы класса ZOOM-8.

Предварительная проработка проекта

При предварительной проработке проекта парусной яхты выделяется два блока:
А. Блок определения параметров технического задания в котором оговариваются целевое назначение (круизное, гоночное, учебное), интервал ожидаемой площади парусности, численность экипажа, ветро-волновые характеристики района плавания, конструктивные особенности (килевая, швертбот, компромисс и другие), архитектурно-стилевые особенности (ретро, классика, модерн и другие), и может быть ряд других характеристик).
Б. Блок определения дополнительных данных, обосновываемых проектантом: отнесение к правилам определенного классификационного общества, характер обводов корпуса, тип парусного устройства по числу парусов и распределению площади между ними, число мачт, архитектурно-компоновочный тип судна, и другие.

Далее необходим анализ четырех основных уравнений, важных для наиболее раннего этапа проектного анализа парусных яхт. Это уравнения нагрузки, компоновки (размещения), удифферентовки, центровки по боковым силам. Эти уравнения являются базовыми, совместное их решение позволяет определить и уточнить основные характеристики.

Рассмотрим параметры блока А.
Назначение швертбота – учебно-тренировочный – обучение детей навыкам строительства малых судов и управлению такими судами. Швертбот для первоначального обучения управлению парусными судами.
Площадь парусности – пять квадратных метров. Будет предусмотрено уменьшение площади паруса до 3 квадратных метров, путем подвязки нижней шкаторины (взятие рифов).
Численность экипажа – во время тренировок и соревнований швертботом должен управлять один рулевой. На прогулку в лодке можно будет отправляться вдвоем.
Ветро-волновые характеристики района плавания – должна быть обеспечена безопасность плавания при высоте волны 0,5 метра. По требованиям ГОСТ 19105-79 «Суда прогулочные гребные и моторные», высоте волны 0,5 метра соответствует высота надводного борта 0,25 метра.
Конструктивные особенности – лодка должна подходить вплотную к берегу и иметь маленькую осадку. Этому условию удовлетворяет швертбот – судно с выдвижным плавником под днищем лодки.
Архитектурно-стилевые особенности – швертбот должен иметь современные стремительные формы, привлекательный внешний вид.

Рассмотрим параметры блока Б.
Отнесение к правилам определенного классификационного общества – швертбот должен соответствовать требованиям Государственной инспекции по маломерным судам МЧС России.
Характер обводов корпуса - для обшивки корпуса будет использован листовой материал, что предполагает делать лодку остроскулой – граненой. Для приближения обводов к круглоскулому прототипу, примем форму корпуса с двумя скулами.
Тип парусного устройства – вооружение бермудский кэт. На свободно стоящей мачте будет подниматься треугольный бермудский парус. Передняя шкаторина чулком надевается на мачту. Нижняя шкаторина – свободная. Для уменьшения площади паруса предусмотрен один ряд рифов.
Архитектурно-компоновочный тип судна – открытый швертбот с кинжальным (втыкающимся) швертом и навешенным на транец рулем. Носовая часть корпуса закрыта палубой. В носовой части предусмотрен водонепроницаемый отсек. За отсеком, под палубой – место для хранения судового имущества и личных вещей экипажа, открытый с кормы багажник. Для размещения экипажа, в проекте нашего швертбота предусмотрено углубление в палубе – кокпит. Кокпит образован продольными сиденьями для рулевого и боковыми стенками. Под сиденьями – два водонепроницаемых отсека.
Конструкция корпуса. Каркас, или, как говорят судостроители, набор корпуса, составят носовая переборка, шпангоут, ограничивающий кокпит спереди, и продольные стенки кокпита. Эти детали будут сделаны из фанеры. Фанерной будут палуба и бортовые сиденья кокпита.
Собираться корпус будет по технологии «сшей и склей». Вырезанные лобзиком выкройки днища, скулы и борта будут стянуты друг с другом прочной леской, через просверленные по кромкам отверстия. К кормовой кромке заготовок будет притянут транец из толстой фанеры. Внутрь скорлупы встанут детали набора, и все углы будут проклеены полосками стеклоткани на эпоксидном клее.
После отверждения клея, обшивка изнутри будет пропитана разведенной ацетоном эпоксидкой. Такое покрытие придаст ДВП прочность и водостойкость. После срезания узелков лески, корпус будет оклеен стеклотканью снаружи. Для крепления палубы и бортовых сидений, снаружи кромки борта будет приклеен привальный брус из сосновых реек. Вплотную к шпангоуту будет поставлен швертовый колодец. В днище прорежется щель, сквозь которую будет опускаться шверт.

Проектный анализ швертбота

В 21 веке конструкторы пользуются не карандашом и кульманом, а компьютером. Существуют программы и для проектирования судов. Одна из свободно доступных программ называется FreeShip (ФриШип). Наш руководитель мастерской, Александр Михайлович Глебов, познакомил нас с ней. Программа позволяет воспроизводить обводы и конструкцию корпуса, создавать надстройки, парусное вооружение, даже экипаж. ФриШип рассчитывает основные характеристики судна.

Рис. 6. Швертбот класса ZOOM-8. Теоретический чертеж.

Рис. 7. Рабочие окна программы FreeShip.

Рис. 8. Модель корпуса швертбота класса ZOOM-8, созданная в программе FreeShip.

Рис. 9. Модель корпуса швертбота с гранеными обводами, на основе класса ZOOM-8, созданная в программе FreeShip.

Теоретическим чертежом судна называют условное изображение поверхности объемного корпуса. Теоретический чертеж характеризует геометрические обводы судна и изображает его проекции в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, что дает полное представление о форме корпуса. Программа позволила ввести в рабочее окно теоретический чертеж швертбота «ZOOM-8» (рис. 6), и восстановить его электронную модель уже на экране монитора (рис. 7). Следующий шаг – преобразование круглоскулого корпуса в граненый. (рис. 8-9). Длина лодки получилась 2,7 метра, ширина – 1,45 метра. (Таблица 1)

Таблица 1
Характеристики проекта швертбота

Базовыми являются уравнения нагрузки, компоновки (размещения), удифферентовки, центровки по боковым силам. Совместное решение этих уравнений позволяет определить и уточнить основные характеристики.

На судно, находящееся на спокойной воде, постоянно действуют две силы: сила тяжести (веса) и сила поддержания (выталкивания). Сила поддержания по закону Архимеда равна массе вытесненной судном воды.

Уравнение нагрузки – это учет всех масс, входящих в водоизмещение судна. Судно должно иметь заданную осадку при определенном количестве груза и людей на борту.

В состав нагрузки швертбота входят массы корпуса, парусного вооружения, шверта и руля, экипажа и предметов снабжения. Задав в программе Фришип плотность материала, из которого будут изготовлены корпус, мачта, паруса, получаем расчет масс каждого элемента. Добавляем фигуру рулевого из библиотеки программы.

Масса швертбота получилась 129 килограмм, что соответствует осадке 12 сантиметров. (Таблица 2)
Компоновка (размещение). Объема двух герметичных отсеков вдоль бортов и третьего отсека, отгороженного водонепроницаемой переборкой в носу, достаточно, чтобы заполненная водой лодка оставалась на плаву, и еще поддерживала рулевого. Отсеки разнесены по длине, поэтому залитый водой швертбот не перевернется. Для проветривания закрытых отсеков, придется предусмотреть смотровые лючки с герметичными крышками.

Таблица 2
Расчет нагрузки швертбота

Удифферентовка. Дифферент – угол продольного наклонения судна, вызывающий разность в осадках носа и кормы. В соответствии с расчетом программы, швертбот будет иметь посадку на ровный киль при размещении рулевого на расстоянии 1 метр от транца.

Центровка по боковым силам. Движение парусного судна обусловлено действием двух определенных сил: силы тяги, приложенной в центре парусности (ЦП), находящемся примерно на высоте одной трети длины передней шкаторины от гика, и силы сопротивления со стороны воды, приложенной к корпусу ниже ватерлинии в так называемом центре бокового сопротивления ((ЦБС).

Яхта сохраняет устойчивое движение по прямой, если обе эти силы действуют в одной вертикальной плоскости или, что то же самое, если ЦП и ЦБС лежат примерно на одной вертикали. Если ЦП лежит впереди ЦБС, яхта будет стремиться повернуть носом по ветру – уваливаться. Если ЦП окажется позади ЦБС, яхта будет поворачивать к ветру – приводиться.

Мачта с одним парусом ставится на лодках в носу. Для ее крепления мы предусмотрим отверстие в палубе. Оно называется пяртнерс. Мачта будет проходить сквозь палубу, и упираться в башмак, установленный на днище лодки. Нижний конец мачты называется шпор, а башмак, в который он устанавливается – степс.

Для сопротивления дрейфу, применим кинжальный шверт. Шверт, по немецки – меч. Кинжальный шверт вставляется в колодец, как меч в ножны.
Для нахождения положения центра бокового сопротивления, нужно учитывать площади боковой проекции подводной части, шверта и руля. По расчету программы, ЦБС расположен на расстоянии 1,2 метра от транца, на глубине 5 см от ватерлинии. Положение центра площади треугольного паруса определяется пересечение медиан его шкаторин. По расчету программы, ЦП расположен на расстоянии 1,39 метра от транца, на высоте 2,18 метра.
ЦП расположен на расстоянии 7% длины по ватерлинии впереди ЦБС, что в пределах нормы для швертботов с одним парусом.

Проектный анализ показал, что проект швертбота, созданный с применением программы ФриШип, отвечает поставленной цели исследования. Эта лодка, предназначенная для обучения детей парусному делу, будет несложной в изготовлении, легкой для управления и безопасной при плавании.

3. Заключение

Построенный в программе ФриШип проект, переведен в чертежную программу Автокад, и уже в этой программе, сделан рабочий чертеж со всеми размерами деталей. (Рис. 10).

Рис. 10. Чертеж швертбота на основе класса ZOOM-8, в программе Autocad.

Руководство Школы искусств «Адамант» приобрело необходимые для постройки швертбота материалы и инструменты. В ближайших планах мастерской – постройка детьми двух спортивно-тренировочных швертботов по новому проекту.

Остался последний штрих, тоже очень ответственный – дать имя проекту. Дети всего мира обучаются парусному делу на швертботах «Оптимист» и «Кадет», «Лазер» и «Луч», «Мотылек» или «Ласточка». Объявляем конкурс на лучшее название для нашего швертбота.

Библиография

1. Ветров С. Пионерская судоверфь. – Л.: Судостроение,1981. – 256 с.
2. Глебов А.М. Лодки Телецкого озера. – Материалы Анохинских краеведческих чтений 2003 г. (Сб. науч. статей) – Горно-Алтайск: Нац. музей РА им. А.В. Анохина, 2004. – С.110-116.
3. Детский швертбот «ZOOM 8» – финская альтернатива «Оптимисту» // Катера и Яхты. – 1999. – №2. – С.23-24.
4. Курбатов Д.А. 15 проектов судов для любительской постройки. – Л.: Судостроение, 1984. – 238 с.
5. Справочник по малотоннажному судостроению / [сост. Б.Г. Мордвинов]. – Л.: Судостроение, 1988. – 576 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 1. Озеро Телецкое, смотровая площадка, с. Яйлю
Рис. 2. «Дракон» Телецкого озера, 1970-е годы.
Рис. 3. Крейсерский швертбот «Валькирия». Первая крейсерская яхта, построенная в г. Горно-Алтайске.
Рис. 4. Спортивно-тренировочный швертбот, с. Артыбаш, 2009 год.
Рис. 5. Швертботы класса ZOOM-8.
Рис. 6. Швертбот класса ZOOM-8. Теоретический чертеж.
Рис. 7. Рабочие окна программы FreeShip.
Рис. 8. Модель корпуса швертбота класса ZOOM-8, созданная в программе FreeShip.
Рис. 9. Модель корпуса швертбота с гранеными обводами, на основе класса ZOOM-8, созданная в программе FreeShip.
Рис. 10. Чертеж швертбота на основе класса ZOOM-8, в программе Autocad.