Саморегулирующееся устройство - это оборудование, используемое на парусных лодках для поддержания выбранного курса или точки плавания без постоянного вмешательства человека. [1]
История
Механическое или « флюгерное » самоуправление возникло как способ удерживать модели парусных лодок на курсе. До появления Radio Control гонки на модельных яхтах (начавшиеся до Первой мировой войны) обычно соревновались на длинных узких прудах, и количество остановок на берегу засчитывалось как штраф в конечном результате. Первоначально была разработана система противовесов на культиваторах, чтобы компенсировать влияние погодных условий на штурвале, когда модель лодки кренится в порыве ветра. Эти грубые системы эволюционировали в более сложную систему, названную Braine Gear в честь ее изобретателя Джорджа Брейна. [2] Рулевой механизм Braine представлял собой отлаженную систему квадрантов баллера руля, приводимую в действие натяжением шкота грота и демпфируемую резиновой лентой. Позже была изобретена более сложная система, называемая лопаточным механизмом , в основе которого лежала небольшая лопасть или аэродинамический профиль, приводящий в движение главный руль направления через регулируемую систему часовых механизмов. Это было очень похоже на более поздние автопилоты с крыльчаткой, которые можно было увидеть на трансатлантических яхтах, таких как самоуправляемый руль Blondie Hasler . Некоторые трансатлантические моряки-одиночки использовали примитивную форму самоуправляемых устройств, чтобы пересечь Атлантический океан в 1920-х и 1930-х годах, наиболее известным из которых был француз Марин Мари (Поль Марин Дюран Куппель де Сен-Фронт), который дважды пересек Атлантику в 1930-х годах, сначала парусная яхта Winnibelle II и, во-вторых, моторная лодка Arielle .
Самоуправление на борту Winnibelle II при переходе через Атлантический океан из Дуарнене , Франция, в Нью-Йорк в 1933 году было чем-то похоже на механизм Braine, с использованием сдвоенных кливеров (Trinquettes jumelles), шкоты которых были соединены с рулем посредством множества блоков и линий. Winnibelle II с длинным килем была идеально устойчивой на курсе в точках плавания с уклоном на бейдевинд или в точках досягаемости луча, но система двойного гуська с автоматическим управлением могла взять верх на более сложных подветренных широких вылетах и точках плавания.
На небольшой моторной лодке Arielle , 13-метровой лодке с дизельным двигателем Baudouin французского производства мощностью 65 л.с., которая отправилась из Нью-Йорка в Гавр в 1936 году, задача управления моторной лодкой на волнах Атлантического океана была более сложной. У Ариэль было два руля; основной под корпусом, в гребной гонке, предназначался для ручного управления, а меньший вспомогательный руль был установлен на транце. Этот вспомогательный руль направления мог механически приводиться в движение специальной флюгером, установленным на крыше кабины, состоящим из двух прямоугольных профилей, установленных под углом на вертикальной оси и уравновешенных противовесом. Он был прост и работал достаточно хорошо, но не мог управлять лодкой при очень легком ветру или плоском штиле.
Пока Марин Мари обустраивала Ариэль в Нью-Йорке, к нему обратился французский изобретатель по имени Касель, который предложил бесплатно установить электрический автопилот своего изобретения. Автопилот Casel использовал революционные на тот момент фотоэлементы и систему света и отражающих зеркал на магнитной розетке компаса . Его принцип в чем-то схож с современными электронными автошлемами, за исключением современного флюсового датчика для системы автопилотов . Автопилот Casel, который включал в себя набор контрольных контрольных ламп зеленого, красного и белого цветов, использовал электродвигатель для воздействия на главный руль направления. Хотя его основной принцип был здравым и был полезен на некоторых участках прохода, он оказался слишком легким для мокрой вибрирующей маленькой лодки, и на нем были проблемы. Марин Мари, хотя благодарные в некоторых случаях вообще ненавидел темпераментное устройство, особенно , когда он обнаружил , что Casel неосторожно скрыла свои запасы вина Бордо в автопилоте купе, не желая осуждать его на непьющее атлантическом пересечение некоторых 20 дней.
Электронный
Электронное самоуправление управляется электроникой, работающей в соответствии с одним или несколькими входными датчиками, неизменно по крайней мере магнитным компасом, а иногда и направлением ветра или положением GPS относительно выбранной путевой точки. Электронный модуль рассчитывает необходимое движение рулевого управления, а приводной механизм (обычно электрический, хотя, возможно, и гидравлический в более крупных системах) заставляет руль перемещаться соответствующим образом.
Существует несколько возможностей взаимодействия между приводным механизмом и обычной системой рулевого управления. На яхтах три наиболее распространенных системы:
- Прямой привод, в котором исполнительный механизм прикреплен к рулевому квадранту в верхней части баллера руля внутри лодки. Это наименее навязчивый способ установки.
- Крепление колеса, при котором двигатель установлен рядом с рулевым колесом и может быть задействован с ним во время использования. Обычно это связано с ременной передачей или зубчатым зубчатым венцом, прикрепленным к самому колесу, и является распространенным вариантом для ретро-установок на яхтах с колесом.
- Лоцманские румпели обычно являются единственным вариантом на небольших судах, управляемых с помощью румпеля . Они состоят из гидроцилиндра с электрическим приводом, который установлен между румпелем и фитингом сбоку кабины. Некоторые из них полностью автономны и требуют только источника питания, в то время как другие имеют блок управления отдельно от привода. Они довольно популярны, так как не требуют обслуживания и просты в установке. [3]
В зависимости от сложности блока управления (например, румпеля, прикрепленного к рулевому колесу картплоттера и т. Д.), Электронный самоуправляемый механизм может быть запрограммирован на удержание определенного курса по компасу, поддержание определенного угла по отношению к ветру (чтобы плавание (яхты не должны менять дифферент паруса), чтобы направить их в определенное положение или выполнять любую другую функцию, которая может быть определена в разумных пределах. Однако количество энергии, требуемой для электрических приводов, особенно если они постоянно работают из-за морских и погодных условий, является серьезным фактором. Крейсеры на дальние расстояния, которые не имеют внешнего источника электроэнергии и часто не используют свои двигатели для движения, обычно имеют относительно строгий бюджет мощности и не используют электрическое рулевое управление в течение какого-либо периода времени. Поскольку для работы электронных систем автопилота требуется электричество, на многих судах также используются фотоэлектрические солнечные панели или небольшие ветряные турбины . Это исключает дополнительное загрязнение и сокращает расходы. [3]
Механический
Основная цель механического самоуправляемого устройства - удерживать парусную лодку заданным курсом по направлению к вымпельному ветру и освободить рулевого от рулевого управления. Преимущественный побочный эффект состоит в том, что паруса держатся под оптимальным углом к вымпельному ветру и тем самым обеспечивают оптимальную тяговую силу. Даже на парусных лодках, работающих под двигателем, самоуправляемый рулевой механизм можно использовать для удержания лодки курсом против ветра, чтобы легко установить или изменить паруса (исключение: принцип «шкатулка-румпель»).
В качестве датчиков направления ветра используются:
а) флюгер, установленный на оси, более или менее наклоненной к горизонту (саморегулирование флюгера);
б) давление ветра в парусе (ях) и, следовательно, сила, действующая на парус. лист (от листа до румпеля самоуправляемого).
Различные механические принципы механической связи изменения направления вымпельного ветра с исполнительным механизмом изменения курса (рулем направления) можно грубо сгруппировать:
- Системы Trimm-Tab (вкладка Flettner Servo ), флюгер в сочетании с небольшим закрылком, прикрепленным к главному рулю, вспомогательный руль направления или сервомаятный руль направления
- от флюгера к вспомогательному рулю (Windpilot Atlantik, Hydrovane) с флюгером, непосредственно соединенным с вспомогательным рулем направления
- от флюгера к рулю (применимо только для очень маленьких лодок, большой флюгер напрямую соединен с рулем судна)
- сервомаятный руль (флюгер поворачивает погруженную лопасть вокруг своей вертикальной оси, лопасть отклоняется в сторону из-за движения по воде и вместе с этим поворачивает руль корабля)
- сервомаятник с вспомогательным рулем (как и выше, но лопасть сервомаятника действует на вспомогательный руль, а не на руль судна)
- шкат-румпель (нагрузке пружины на румпель противодействует тяговое усилие фокуса и / или шкота главного паруса)
Современные автопилоты
Механические самоуправляемые устройства производятся рядом производителей [4], но большинство систем, производимых сегодня, основаны на том же принципе (сервомаятный руль направления, см. Ниже). А также их потребности в электроэнергии, многие междугородние крейсеров заметить , что электронная самообеспечение рулевого техника сложна и вряд ли будет чинить без запасных частей в отдаленных районах [ править ] . Напротив, лопаточная передача предлагает, по крайней мере, возможность импровизированного ремонта в море, и обычно может быть восстановлена на суше с использованием неспецифических деталей (иногда сантехнических деталей) местным сварщиком или машинистом [ необходима цитата ] . Чтобы свести к минимуму потерю скорости из-за самоуправляемого рулевого механизма, важно сбалансировать паруса судна с небольшой нагрузкой на руль, прежде чем предпринимать какие-либо попытки задействовать самоуправляемый руль. При правильной балансировке парусов баланс сил сервовесла и основного или вспомогательного руля сведен к минимуму, так что достигаются наименьшие углы атаки руля направления и сервовесла по направлению к потоку воды. Однако обычно требуются некоторые эксперименты и оценки, чтобы определить правильные настройки для данного судна и рулевого механизма. Популярным источником [ цитата ] по современной технологии флюгера является "Самоуправляемый справочник" . [5] Одним из особенно ценных вкладов [ необходима цитата ] из книги Морриса является его освещение разнообразия сплавов, используемых в производстве лопастных шестерен. Моррис признается, что у него была практика устанавливать кухонный таймер на полчаса за раз и спать, пока рулевое устройство флюгера управляет штурвалом, даже при встречном ветре от 25 до 35 узлов. В недавнем интервью он сказал, что однажды едва не упустил возможность столкнуться с огромным грузовым судном, когда спал на своем парусе в Красном море. Моррис отмечает: «Автопилот не имел бы никакого значения в этом случае. Если бы я использовал электронный автопилот, то грузовое судно все еще было бы там. Я решил пройти две трети моего кругосветного плавания в одиночку. , и я принял риск, связанный с этим решением. Думаю, судьба была на моей стороне ».
Trim-Tab
В прежних сервосистемах Trim-Tab поворот сервопривода вокруг его вертикальной оси осуществлялся с помощью триммера Сервопривод , который, однако, требует некоторой силы из-за того, что триммер перемещается в противоположном направлении. повернуть сервопривод. То же самое касается триммера, который установлен на большом расстоянии за рулем корабля и соединен с ним на его верхнем и нижнем конце. Эта конструкция называется «The Saye's Rigg». Другая версия самоуправляемого флюгера на парусных лодках известна как флюгер с вертикальной осью, и обычно из-за меньшего выходного усилия рулевого управления по сравнению с сервомаятниковыми устройствами в нем используется триммер, свисающий с руля, для управления курсом лодки. . Флюгер вращается под прямым углом к земле и может зафиксироваться на триммере в любом желаемом положении, когда лодка падает с ветром, флюгер будет повернут ветром и унесет с собой триммер, который, в свою очередь, приведет к рулю. двигаться в обратном направлении и тем самым корректировать курс. Обычно самоуправление, подобное этому, с триммером можно использовать только на лодках с транцевыми (или задними двухконцевыми) рулями, так как триммер должен быть установлен непосредственно на руле и позади него для получения желаемого эффекта, и, конечно же, необходимо контролировать, даже когда руль направления раскачивается из стороны в сторону. Обычно это достигается за счет использования стержня с прорезями, в котором соединение с лопастным узлом может скользить при повороте руля направления. Эти самоуправляемые системы, как правило, проще и, следовательно, легче устанавливать и регулировать курс, поскольку они не используют стропы, управляющие рулем направления, а управляют им более непосредственно с помощью прочных рычагов. [6] На некоторых ветряных мельницах использовалось родственное устройство - веерный хвост , небольшая ветряная мельница, установленная под прямым углом к основным парусам, которая автоматически поворачивает тяжелый колпак и главные паруса по ветру (изобретена в Англии в 1745 году). (Когда ветер уже попадает прямо в главные лопатки, веерный хвост остается практически неподвижным.)
Флюгер к вспомогательному рулю
Лишь немногие производители добились успеха с системами, которые управляют вспомогательным рулем направления непосредственно от флюгера (несервосистемы: Windpilot Atlantik, Hydrovane); на изображении показанного флюгера используется этот принцип с большой тканевой лопаткой на вертикальной оси (преимущественно используются флюгеры с почти горизонтальной осью).
Сервомаятный руль направления
Самая распространенная форма самоуправления, сервомаятник, была введена, чтобы справиться с мощностью, необходимой для управления большим рулем, и была преемником принципа сервомаятника (представленного Гербертом «Блонди» Хаслером ). Общим для всех сервомаятниковых систем руля (весла, лопасти) является тот факт, что скорость лодки по воде используется для усиления небольшой силы, исходящей от флюгера, чтобы иметь возможность поворачивать руль. Сервопривод может поворачиваться по вертикальной оси и подвешиваться как маятник . Когда он поворачивается вокруг своей вертикальной оси, поток воды создает боковую силу в области лопасти, и сильное поворотное движение в сторону используется для воздействия на руль направления (руль направления судна или вспомогательный руль направления интегрированы в систему). Узкая вертикальная доска, флюгер, установлена на держателе с почти горизонтальной осью, который сам вращается вокруг своей вертикальной оси, так что при движении лодки в желаемом направлении флюгер остается вертикальным и обращен к ветру ребром. Флюгер уравновешивается небольшим грузом под шарниром, но если лодка повернется так, что доска больше не будет наклоняться к ветру, она будет снесена в сторону, так как будет обнаружена дополнительная площадь поверхности. Это движение передается посредством серии связей на лопасть (или весло) в воде, так что весло поворачивается вокруг своей вертикальной оси, когда флюгер поворачивается из своего нейтрального положения. Когда описанное выше лезвие поворачивается, давление воды, проходящей мимо него, заставляет его отклоняться в сторону на конце повернутого стержня. Погруженная площадь 0,1 м 2 при длине рычага 1 м при скорости лодки 2,5 м / с (около 5 узлов) и угле атаки 5 ° уже создает момент 180 Н · м, когда весло имеет профиль NACA0012. [7] Рулевое усилие сервовесла передается на главный руль направления, как правило, с использованием конструкции из двух тросов и четырех или более валков для направления рулевых тросов к штурвалу или рулевому колесу.
Современные сервомаятные самоуправляемые устройства с оптимизированной трансмиссией и механикой с низким коэффициентом трения все больше и больше используются для дневного плавания и круизов; раньше использовался в основном для океанских переходов на большие расстояния. Улучшенные характеристики оптимизированных современных устройств при слабом ветре обеспечивают управление по ветру до 1,3 м / с и скорости лодки 1,5 узла [8] [9] - свойства, которые делают электронное рулевое устройство почти ненужным и позволяют преодолевать депрессивные состояния под ветром. лопастной самоуправляемый. Все большее количество яхтсменов регаты на длинные дистанции используют саморегулирование с помощью флюгера, поскольку паруса всегда находятся под оптимальным углом к ветру, и, следовательно, скорость лодки поддерживается на максимально возможном уровне.
Математическое описание самоуправления горизонтального сервопривода флюгера охватывает отношение ошибки курса к установившемуся углу руля направления для корректировки ошибки курса. Динамика описывается уравнениями связи силы и импульса. [10] [11] В основном используются три различных принципа механической трансмиссии: шарнир с скользящим блоком Мюррея, коническая шестерня 90 °, Z-вал, которые из-за своей геометрии имеют разные изменения рулевого усилия при изменении отклонения от курса. [12]
Сервомаятник с вспомогательным рулем направления
В случаях, когда чистый сервомаятный механизм самоуправления неприменим (гидравлический привод руля направления, очень большое усилие, необходимое для поворота руля направления), используются вспомогательные системы руля направления. Они состоят из сервомаятного руля направления, соединенного непосредственно с вспомогательным рулем направления, который является частью системы самоуправления. Главный руль в таком случае используется для «триммирования» основного курса, а самоуправляемый руль поворачивает «вокруг» этого основного курса в соответствии с изменениями вымпельного ветра.
Лист к культиватору
Помимо широко распространенного механического самоуправления посредством флюгера, механически связанного с рулем направления или сервомаятника руля направления, существует принцип механического самоуправления, называемый «шкатулка-румпель». Ролло Гебхард пересек Атлантику на своем «Сольвейге» длиной 5,6 м, используя такой метод. Самоуправляемый шкатулка-румпель состоит из соединения между подпружиненным румпелем и шкотовым полотном, использующим силу ветра в парусе для управления лодкой.
Разработки
В течение довольно долгого времени коммерчески доступные системы самоуправления практически не развивались. Большинство новых разработок пришло в виде систем самостоятельной сборки. Решающую роль сыграл американец Уолт Мюррей, опубликовавший свои проекты на своем сайте. [13] и голландец Ян Алкема, который разработал новый флюгер, так называемый флюгер Up Side Down (сокращенно в долларах США, коммерчески доступен только от двух брендов) и новый тип сервомаятной системы, которая может быть установлена на лодках с транцем. повесил руль направления. За это последнее изобретение Ян Алкема был награжден премией Джона Хогга-Прайса от AYRS (Общество любительских исследований яхт) в 2005 году. Ян Алкема опубликовал множество своих изобретений на веб-сайте Уолта Мюррея. [13]
Joern Heinrich добавил в 2010 году механизм [14], использующий угол крена лодки в ситуации по ветру для корректирующего угла атаки сервопривода весла, который увеличивает курсовую устойчивость и снижает риск протяжки в следующих водах. [15] Joern Heinrich также опубликовал механизм [16], который использует плавник в воде для компенсации изменения кажущегося ветра во время ускорения / замедления многокорпусных яхт с большим скоростным потенциалом, таких как катамараны и тримараны при порывах ветра. Генрих применяет свое собственное программное обеспечение параметрического моделирования VaneSim [17] для оптимизации устройств саморегулирования флюгера в соответствии с характеристиками лодки.
В 2002 году Роберт Чикен запатентовал в Великобритании систему от листа до румпеля, известную как The Steersman . Он состоит из двух качающихся платформ, установленных на комингсах кокпита по обе стороны от лодки. Обычные лебедки гуська перемещаются из своего нормального положения, а затем снова закрепляются болтами на вершине этих платформ. Когда паруса установлены, подветренный шкат кливера прикреплен к лебедке обычным образом, и давление ветра в кливере, передаваемое через шкатулку, поворачивает платформу вперед. Чтобы уравновесить это движение, пружина амортизатора, натянутая между платформой и точкой на корме лодки, удерживает платформу в центральном нейтральном положении. После установки любые незначительные изменения силы или направления ветра заставляют платформу качаться вперед или назад. Затем простая связь передает это движение штурвалу, чтобы лодка оставалась на курсе. Давление в парусах может сильно различаться в зависимости от силы ветра и направления, в котором лодка движется относительно ветра. Чтобы приспособиться к этому, пружина устроена в форме «блока и снасти» с двойным блоком, прикрепленным к корме лодки, и одиночным блоком, прикрепленным к платформе. Фиксированный конец и хвостовой конец также прикреплены к платформе; фиксированный конец зажимается, а хвостовой конец проходит через косяк для точной регулировки. Теперь максимальное натяжение пружины складывается из четырех отрезков шнура амортизатора. Для снижения давления ветра в стреле фиксированный конец и цельный блок можно повторно закрепить в точке крепления на основании платформы. Это дает диапазон прочности пружины от одной до четырех длин шнура амортизатора. При очень слабом ветре вместо этого используется один более легкий шнур амортизатора. Заявленное преимущество этой конструкции перед системой флюгера, заключающееся в том, что она «гораздо более чувствительна, поскольку использует большую площадь стакселя для определения любых изменений ветра», является сомнительным. Когда стрела находится в ламинарном потоке, то есть оптимально обрезана и обеспечивает максимальную тягу, сила на листе наибольшая и уменьшается в обе стороны, конечно, при отклонении от этого оптимума. Из этого следует, что судно должно идти с неоптимальной дифферентом паруса, чтобы иметь надлежащую коррекцию рулевого управления румпелем. Однако его расположение в зоне кокпита позволяет использовать его для других целей, таких как шлюпбалки, кормовые трапы и т. Д. В 2012 году это изобретение было удостоено награды Haven Academy Award в Великобритании. Председателем судейской комиссии был сэр Робин Нокс-Джонстон, первый человек, совершивший кругосветное плавание без остановок в одиночку.
Знаменитые самоуправляемые лодки
Некоторые известные самоуправляемые парусники включают в себя:
- Сын ратуши , самоуправляемый мусорный плот, совершивший трансатлантический переход в 1998 году.
- Цыганский мотылек IV
Смотрите также
- Картплоттер
- Беспилотный наземный транспорт
Рекомендации
- ^ Foerthmann, Питер (2013). Самоуправление под парусом: автопилоты и системы управления ветром . Берлин: epubli GmbH. ISBN 978-3-8442-5640-6. OCLC 860314922 .
- ^ Дэниэлс, WJ; Такер, HB (1952). «Модель парусного судна» . Vintage Model Yacht Group (3-е изд.). Чепмен и Холл. п. 239.
- ^ а б ХК Херрешофф (2006). Справочник моряка . ISBN 0-07-148092-7.
- ^ Генрих, Йерн. "WindGear" . Архивировано из оригинала на 1 апреля 2018 года.
- ^ Билл Моррис (2004). Справочник по самоуправлению Windvane . International Marine / Ragged Mountain Press. ISBN 978-0071434690.
- ^ Blondie Hasler Trim Tab самоуправляемый
- ^ Сервопривод весла http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
- ^ Нижний предел ветра http://www.windautopilot.de/_de/2_innov/lowwind.html
- ^ Нижний предел ветра https://www.youtube.com/watch?v=kBXzafY49GA
- ^ Импульс флюгера: http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/windsensor.html
- ^ Импульс серво весла http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
- ^ Трансмиссия: ошибка курса вызывает угол поворота руля http://www.windautopilot.de/_de/1_basics/transmission.html
- ^ a b http://windvaneselfsteering.com/?q=content/walt-murrays-website Архивировано 21 сентября 2013 г. на Wayback Machine.
- ^ http://www.windgear.eu/_de/2_innov/ydg.html
- ^ Проверка механизма YDG при следующем набухании путем измерений https://www.youtube.com/watch?v=odUO39DB85Y
- ^ Механический регулятор курсовой скорости для флюгерных самоуправляемых судов на многокорпусных парусных лодках> http://www.windgear.eu/docs/SpeedSensWSA.pdf
- ^ Программное обеспечение для параметрического моделирования флюгера Vanesim http://www.windautopilot.de/_de/2_innov/sim.html