Откуда у фойлов ноги растут

07/05/2024

Откуда у фойлов ноги растут

Эта статья не научит вас кататься на доске с подводными крыльями, ведь птице не нужна теория аэродинамики, чтоб учиться летать. Здесь всего лишь покоится плод удовлетворения собственного любопытства.

Всего несколько лет назад, мы катались на виндсерфинге, кайтеры на кайтборде, серферы скатывались хохоча с волны и все были довольны скольжению по водной поверхности. Как вдруг, ко всем доскам стали прикорячивать подводный самолетик на ноге — фойл. И тут всё как полетело! А еще из всех этих занятий родились совсем новые виды: пампинг — серфинг без волны за счет качания фойла и вингфойл. Про вингфойл, в основном и пойдет речь. Как водится, попа мамина, глаза папины. Или кто там у них родители? Доску взяли волновую от виндсерфинга, петли оставили, парус убрали, у кайта отрезали стропы, но пришили ручки, а снизу доски  прилепили самолетик — фойл. Если честно, то спортивный снаряд вышел весьма занимательным и продолжает бурно эволюционировать.

Вот и я решил освоить новый снаряд и потратил уйму времени. Не без удовольствия, конечно. С крылом в руках достаточно ясно — аэродинамика небольшого кайта. С доской в водоизмещающем режиме, пожалуй тоже все очевидно. А с подводной частью никто никак не мог мне внятно объяснить что там на что влияет. Не буду обижать почтенного Бернулли и размахивать уравнением Навье-Стокса. В гидродинамике давно всё посчитано. Оптимальный угол атаки 3°-4°, а дальше, чем  больше крыло, тем больше подъемная сила, остальное пока туманно. Пришлось позависать на форумах и пообщаться с профессионалами. Кое-что стало прояснятся. Итак, начнем по порядку.

 

На что и куда у фойла можно влиять?

Курс — направление движения относительно ветра. Курсовая устойчивость — легкость придерживаться курса. Курсы к ветру — острые, с ветром — полные. Тут еще одна характеристика чуть не забыта, подвижность — легкость смены курса. В авиации подвижность по курсу называется рыскание. 

Но тут еще одна координата появляется — вертикальная. Термин глиссирование не слишком хорошо подходит да и занят уже давно для другого. Я буду использовать выход на планирование и сход с планирования или просто выход и сход. Термин для изменения направления в вертикальной плоскости тоже есть — тангаж.

А так как мы пока еще живем в трехмерном мире, то есть еще одна ось поворота, продольная. Наклон вокруг этой оси мы называем креном.

 

Подводное крыло

Hydrofoil (foil) — подводное крыло состоит из следующих элементов:

  • мачта (mast);
  • фюзеляж (fuselage);
  • переднее крыло (front wing);
  • заднее крыло (stabilizer).

  1. Силы в режиме планирования

А вы знали, что в режиме планирования, единственную подъемную силу создает только переднее крыло? Весь остальной антураж только для того, чтоб у него это получилось.

В современных фойлах подъемная сила на стабилизаторе направлена вниз. Вот поэтому я и назвал её — опрокидывающая сила. В итоге вся конструкция стремится к положительному тангажу, то есть выйти на планирование. И для этого нужна скорость набегающего потока. Подобная схема сделала возможным пампинг. Это когда можно разгонять доску раскачивая с носа на корму.

Мачта

Mast - мачта или нога, то чем вся конструкция крепится к доске. Вот я не понимаю, неужели не было другого названия? Мачты, это то что у корабля вертикально сверху, а то, что снизу могло бы и как-то еще называться, ну там консоль или нога — leg. Ну да ладно, бог грамматики им судья. В верхней части мачты находится плата крепления к боксу доски, а в нижней части мачта крепится к фюзеляжу крыла. У мачты три основных характеристики:

  • материал;
  • высота;
  • профиль.

Материал

Возможные материалы это анодированный алюминий или углепластик (карбон) и комбинации того и другого. Алюминий дешевле, хорош для начинающих и не очень требовательных пользователей. Дополнительный недостаток — коррозия. Его необходимо разбирать промывать и смазывать, если вы хотите, чтоб он долго вас радовал. Мачты большой высоты из алюминия не делают, тут приходится использовать другой материал - уголь. Углепластик более упругий, не корродирует и легче. Зато он значительно дороже. Конструктивно, чем выше мачта, тем лучше, если она из угля. Еще есть высокомодульный уголь, он еще прочнее и дороже. Еще в креплениях и каркасе могут использоваться нержавеющая сталь, титан, бронза и латунь. Комбинации этих материалов используются во всех частях подводного крыла.

Высота

Так незаметно мы перешли к высоте. Основные высоты мачты от 70 см до 110 см. Не удивляйтесь, все величины крыла измеряются в основном в сантиметрах, так посчитали удобным и нам остается следовать основному тренду. Мачты, короче 70 см, я не думаю, что стоит обсуждать. Это очень специфическая область, типа катания на мелких водоемах и требует от райдера хорошего контроля фойла. Лично я бы рекомендовал для начинающих мачту не ниже 80 см. 

Высота мачты влияет на контроль выхода на планирование и схода с него. У вас есть время и высота, исправить ошибку. Кроме того с большой мачтой вы можете сильнее кренить доску без выхода крыла на поверхность, а следовательно острее идти (лавироваться против ветра). Можно сказать еще проще: начинающим еще трудно контролировать выход на планирование и крен доски, а большая мачта дает время исправить ошибку.

Профиль

Профиль мачты, это форма поперечного разреза. Обычно это симметричная фигура типа капли. Чем толще и больше, тем сильнее сопротивление среды, ну и тяжелее соответственно. Чем уже, тем ниже сопротивление среды, но выше вертикальная гибкость и  ниже прочность. Если вы собираетесь прыгать на доске, то прочность не последний параметр, который стоит учитывать.

Плата крепления

Есть еще один аспект, про который я чуть не забыл упомянуть. Плата крепления к доске. Конструктивно, закладная, это два US бокса — были такие плавниковые крепления. То есть, плату крепления можно двигать вперед-назад не некоторое расстояние. На учебной доске, где нет петель, эту плату ставят в середину. Делается это для того, чтоб плечо сил на закладной было симметрично и не выламывало какую-то одну сторону. Но, если петли имеются, то для начинающего, надо сдвинуть плату назад к корме на 1-2 см. Более точно положение определяется удобством райдера и зависит не только от уровня катания, но и от его веса,типа доски и площади переднего крыла. Еще бывает клиновая проставка для платы крепления. Это клин, где-то до 1.5°. Он используется чтоб поднять нос доски при нормальном движении. Полезно для катания с волн, для более раннего выхода на планирование и для фристайла. .

Фюзеляж

Несущий корпус подводного крыла, которое напоминает планер-самолетик. Как и у самолета, на фюзеляж крепятся все остальные детали: спереди — переднее крыло, сзади — стабилизатор или заднее крыло и где-то ближе к переднему крылу — мачта.

Конструкция, форма и размер фюзеляжа зависит от производителя. Частенько выбора как такового у покупателя нет. Выбирается только бренд, а дальше ты вынужден покупать все детальки только одной марки. Некоторые производители позволяют приобрести фюзеляжи разной длины, а другие позволяют менять общую длину фюзеляжа за счет хвостовиков переднего крыла и стабилизатора.

Если говорить в общем, то чем короче фюзеляж, тем он легче поворачивает (рыскание) и легче изменяет тангаж, а чем длиннее, тем стабильнее на курсе и по тангажу. Для виндсерфинга фюзеляжи длиннее, для вингфойла короче. Гоночные длиннее, фристайловые короче.

Крылья

Где-то там в начале я уже говорил, что подъемная сила на крыле возникает от набегающего потока и угле атаки крыла в 3°-4°. К этому надо добавить, что мешает разгону лобовое сопротивление, которое зависит от толщины профиля крыла. Я тут принципиально упрощаю, опуская менее значимые силы и влияния.

Будем считать, что основными параметрами крыльев являются:

  • площадь;
  • размах;
  • удлинение (Aspect Ratio);
  • радиус передней кромки;
  • оконечники (винглеты);
  • толщина.

Площадь

Площадь крыла указывается в квадратных сантиметрах. Для дальнейшего расчета важно, чтоб все единицы измерения были приведены к одной размерности. Площади крыльев могут быть от 100 см² до 3500 см². Но это сравнение не совсем корректно, так как сравниваются крылья разной функциональности. Стабилизаторы маленькие, передние крылья для пампинга огромные, а для вингфойла средние. Но все же есть общие характеристики, которые работают всегда: чем больше площадь крыла, тем быстрее оно выходит на планирование и позже сходит с него. Формально, подъемная сила пропорциональна площади крыла на квадрат скорости потока и плотности среды. Ну ладно, уговорили, вот вам формула:

Тут Y – подъемная сила; c – коэффициент подъемной силы, зависит от угла атаки; ρ — плотность среды; V – скорость; S – площадь. Сами видите — площадь и скорость это все что нужно для выхода на планирование, остальное константы.

С другой стороны, как измерить эту площадь? Крылья, как правило не плоские, а изогнутые. Что имел ввиду производитель, когда указывал площадь? Это площадь проекции, когда крыло положили на лист бумаги, посветили сверху фонариком и обвели тень или листом бумаги обернули крыло и обрезали по краю? Компания Gong-Galaxy указывает сразу три значения: площадь проекции, площадь развернутого крыла и площадь по ощущениям. Лично мне достаточно последнего значения. Плюс-минус 1% мало влияет. Хотя, некоторые пытаются из своего крыла выжать максимум и ловят сотые доли процента. Есть такая теория, что для ламинарности обтекания может помочь РМР — регулярный микрорельеф. Гонщики превращают глянцевую поверхность своего фойла в матовую с помощью самой мелкой шкурки.

Размах крыла

Размах крыла, это максимальное расстояние между концов крыла, измеренное перпендикулярно фюзеляжу. К этому параметру я вернусь позднее, но он нужен нам чтоб посчитать удлинение. 

Чуть не забыл еще одно явление - вентиляция крыла еще известное виндсерферам, как спинаут. При крене, часть крыла может выйти на поверхность и подхватить пузырь воздуха. Такой пузырь стремится в область низкого давления и держиться там за счет вихря. Так крыло моментально теряет подъемную силу. Легко понять, что чем меньше размах крыла, тем ниже вероятность, что оно выйдет на поверхность при крене. 

Удлинение

Удлинение или AR – это отношение размаха крыла в квадрате к его площади. 

W – размах крыла; S – площадь крыла.

Допустим, у нас есть крыло: площадь 1300 см², размах 105 см, тогда AR=8.48 – средненький такой аспект, но ближе к высокому. Если что, то аспекты делятся на:

  • низкий AR: от ~3.5 до ~6.0;
  • средний AR: от ~6.0 до ~8.5;
  • высокий AR: от ~8.5 до ~20.

Низкое удлинение крыла говорит о том, что крыло с большой хордой и малым радиусом передней кромки, то есть передняя кромка сильно изогнута. Большая толщина профиля. Обычные размеры переднего крыла низкого удлинения от 1400см² до 2500 см². Большие размеры создают большое лобовое сопротивление, следовательно - долгий разгон и низкая максимальная скорость. Но таким крыльям не нужна большая скорость для выхода на планирование.

Характерны низкая скорость выхода на планирование и схода, хорошая управляемость, стабильность на курсе и в повороте. Не быстрые.

Рекомендуются для начинающих на гладкой воде.

Среднее удлинение крыла, это средние показатели. Большинство крыльев на рынке именно с таким AR. Площади таких крыльев колеблются от 800 см² до 1400 см². 

Если сравнивать с низким AR, то у среднего AR меньше толщина профиля и площадь, следовательно такие крылья быстрее, однако выходят на планирование и сходят при большей скорости. Максимальная скорость тоже выше. Ввиду того, что в этом сегменте рынка большинство различных крыльев с различной специализацией, универсальный совет дать трудно. В целом, они быстрее крыльев с низким AR, хорошо управляемы, но требуют больше опыта.

Крылья с высоким AR достаточно эффективны при малой площади. Как правило их используют для гонок или катания под ветер. Это самые скоростные крылья. Однако, они гораздо хуже поворачивают и требуют от райдера изрядной сноровки. Для повышения эффективности их делают с очень тонким профилем, снижая лобовое сопротивление. В процессе изготовления используют высокомодульный углепластик и другие дорогие технологии. Следовательно, цена высокая.

У читателя может возникнуть вопрос: «Алло, автор, это что же получается, чем выше удлинение крыла, тем сильнее надо разогнаться, чтоб выйти на планирование и тем быстрее такое крыло сойдет с планирования? То бишь все дольше и дольше разгонять крыло. Да ну нафиг, дайте мне самый низкий AR!»

На первый взгляд это так, а в реальности не надо забывать, что более высокое удлинение крыла повышает скорость крыла. То есть, такое крыло быстрее разгоняется и в реальности, опытный райдер будет выходить на планирование даже быстрее, чем на крыле с низким AR.

Радиус передней кромки или хорда

Здесь подразумевается изгиб передней кромки. Если удлинение маленькое, а площадь большая, то куда материал девать? Правильно в ширину крыла. Хорда, это ширина крыла в самом широком месте, а радиус дело десятое, есть крылья с треугольной передней кромкой. 

Однако, есть крылья с большим удлинением и изогнутой задней кромкой. Вернее и передняя и задняя кромки изогнуты в одну сторону. Считается, что такое крыло меньше подвержено спинаутам (срывам потока)  и лучше поворачивает. Почему так происходит я расскажу в следующем пункте.

Оконечники крыла — винглеты


Если вы летали на самолете, то могли наблюдать, что часто кончики крыльев загнуты вверх. Такая штука называется винглет и препятствует образованию вихря на конце крыла. В воде это тоже работает. Такие крылья более устойчивы на курсе, но хуже поворачивают. Правда, есть и другие способы предотвратить турбулентность на концах крыльев, это увеличение радиуса кромки или искривление крыла, для уменьшения угла атаки на концах. Разработчики фойлов все чаще используют такие приемы.

Еще используется такой прием, как развал крыльев, то есть изгиб крыла вниз или вверх. Такая форма тоже стабилизирует фойл на курсе, но усложняет поворот. Еще такая форма может компенсировать изгиб крыла при нагрузке.

Где-то там вначале я уже говорил про спинаут или вентиляцию крыла. Когда при крене доски, крыло может выйти из воды и подхватить пузырь воздуха. Винглеты могут препятствовать образованию пузыря на крыле, а развал снижает вероятность выхода крыла на поверхность.

Толщина и объем крыла

Толщина крыла нужна для прочности, других полезных свойств у толщины нет. Тут  чем больше толщина крыла, тем больше сопротивление среде. А про объем мы знаем Архимедову силу — чем больше объем, тем сильнее он вытесняется из воды. Правда для фойла гидростатическую силу не учитывают, он же не всплывает. Однако, может быть неравномерное распределения веса фойла и тогда на нем может появится поворачивающий момент. 

Одним словом, не полезные это штуки. И вот, я прихожу в магазин и вижу переднее крыло с AR = 14 – дикое, огромное удлинение. И цена за него тоже дикая и огромная. Ведь ясно, что добиться эффективного профиля и небольшой толщины крыла на такой длине, это уже на пределе современных технологий. Для подобных размеров используются топовые материалы. Вот и цена такая.

 

Стабилизаторы — задние крылья

Крылья, ноги... Хвост! Маленькое крылышко, которое припиндюривается к заднице самолетика называется стабилизатор и служит прежде всего для стабилизации движения, то есть для придания устойчивости всему фойлу. Как правило, подъемная сила стабилизатора направлена вниз. Странно это говорить, но термина «спускаемая сила» почему-то не используется. Но в целом, таким образом стабилизатор повышает общую подъемную силу, заставляя переднее крыло держать угол атаки. 

Вариаций стабилизаторов гораздо меньше, чем передних крыльев. Один и тот же тип используется для разных площадей и типов переднего крыла.

Что там на что влияет:

  • с большим удлинением (высокий AR) обеспечивает большую подъемную силу на крыле, большую курсовую устойчивость и устойчивость к тангажу;
  • винглеты - законцовки крыльев обеспечивают лучшую устойчивость на прямой;
  • с малым удлинением (низкий AR) часто делает фойл более маневренным и облегчает повороты на низкой скорости;
  • плоские стабилизаторы (без винглетов) делают фойл более «резким»,  то есть легче вращаться вокруг мачты.

Еще бывает хвостовик, ну прямо как у самолета хвост — маленькое поперечное крыло на фюзеляже рядом со стабилизатором. Как вы понимаете, это тоже для стабилизации на курсе.

 

За что хвататься, куда бежать?

С первыми фойлами я познакомился достаточно давно. Виндсерфинг с фойлом мне не слишком понравился. Как мне кажется, чистый виндсерфинг интереснее. На кайтовом фойле я катался только за катером и не слишком тогда преуспел. На винг фойл меня поставили чуть ли не насильно, и тут я испытал то же счастье, что было, когда я начинал играть в виндсерфинг — чистое ощущение серфинга и полета. Наевшись начальных экспериментов, я могу посоветовать, как начать учиться на вингфойле.

Для самостоятельного обучения человека под 80 кг нужна надувная учебная доска объемом 140-160 литров. Без петель. Винг — надувное крыло 6+ м². Переднее крыло фойла 2000+ см² с низким AR. Мачта 80 см. Шлем, гидрокостюм, гидротапки, противоударный жилет. Если у вас будет инструктор на начальном этапе, это сильно ускорит прогресс. Если хороший инструктор, то вам повезло.

Учиться вингфойлу весело. Я вам завидую.

Со временем и повышением умений, у вас появятся желания взять крыло поменьше, доску покороче да пожестче, мачту подлиннее. Но это уже другая история.

 

Андрей Хитрово/wind.ru

Апрель 2024

 

В работе над статьей помогали советами: Максим Колпаков (First foil center in Egypt – Dacha), Beat Steffan (Duotone Wingfoil Team/ Tricktonary Wingfoil/ DWARF8), Евгений Шевченко, Владимир Бобылев (kite.ru, Slingshot), Виктор Гладышев (Школа ветра), Gong Galaxy Group, Starboard team. 

В тестировании использовалось оборудование разных лет от Slingshot, Gong, F-one, Darkfoils, Duotone, Sabfoil.

 

Поделиться в

 

< предыдущий следующий >

Комментарии

  •  

    Андрейка 2 дней(дня) назад

    Человек, который знает про гидродинамику подводных крыльев всё и даже чуточку больше, создатель отечественной компании, делающей фойлы, согласился внести свои замечания к тексту. Встречайте, Фарид Сайфулин, компания Darkfoils.

    Комментарий Фарида

    Darkfoils, [19.05.2024 14:07]
    Чем меньше удлинение, тем больше максимальная скорость у крыла. Чем больше удлинение, тем выше качество крыла и тем лучше у него глайд. То есть крылья с высоким удлинением лучше летят в режиме, но имеют плохие максималки. Соответственно логику всего раздела надо менять

    Darkfoils, [19.05.2024 14:07]
    В следующем разделе "Однако, есть крылья с большим удлинением и изогнутой задней кромкой. Вернее и передняя и задняя кромки изогнуты в одну сторону. " - это называется стреловидность

    Darkfoils, [19.05.2024 14:13]
    "это увеличение радиуса кромки или искривление крыла, для уменьшения угла атаки на концах." - не до конца верно. Существует два типа крутки - аэродинамическая (отдельные участки крыла под разными УА) и геометрическая (разный профиль на разных участках). Ну и в целом это все делается для уменьшения индуктивного сопротивления крыла.

    Darkfoils, [19.05.2024 14:15]
    "Еще используется такой прием, как развал крыльев, то есть изгиб крыла вниз или вверх. Такая форма тоже стабилизирует фойл на курсе, но усложняет поворот. Еще такая форма может компенсировать изгиб крыла при нагрузке." - это не развал, а арочность или по-английски anhedral и dihedral

    Darkfoils, [19.05.2024 14:19]
    "Толщина крыла нужна для прочности, других полезных свойств у толщины нет." У толщины есть очень даже полезное свойство, даже два. 1. Толстое крыло лучше взлетает и летит на малой скорости. 2. Толстое крыло уменьшает динамику разгона. В общем оба этих свойства очень даже нравятся начинающим райдерам.

    Darkfoils, [19.05.2024 14:20]
    "Но в целом, таким образом стабилизатор повышает общую подъемную силу, заставляя переднее крыло держать угол атаки. " Не верно. Стабилизатор уменьшает подъемную силу в классической компоновке летательного аппарата.

    Darkfoils, [19.05.2024 14:20]
    Но увеличивает момент на кабрирование

    Darkfoils, [19.05.2024 14:21]
    "ну прямо как у самолета хвост — маленькое поперечное крыло на фюзеляже рядом со стабилизатором." Вертикальное крыло или киль.

    Darkfoils, [19.05.2024 14:25]
    Про стабы можно добавить, что они могут серьезно изменить поведение фойла. Как специя в пище.

Комментировать могут только зарегистрированные пользователи.