Самоуправляемое устройство — это оборудование, используемое на парусных лодках для поддержания выбранного курса или точки плавания без постоянного вмешательства человека. [1]
Механическое или « флюгерное » самоуправление возникло как способ удерживать модели парусных лодок на курсе. До появления радиоуправления гонки на модельных яхтах (начавшиеся еще до Первой мировой войны) обычно проводились на длинных узких прудах, а количество остановок вдоль берегов учитывалось как штраф в конечном результате. Первоначально была разработана система противовесов на румпелях, чтобы компенсировать погодный штурвал, когда модель лодки кренилась при порыве ветра. Эти грубые системы развились в более сложную систему, названную Braine Gear в честь ее изобретателя Джорджа Брейна. [2] Рулевой механизм Braine представлял собой тонко настроенную систему квадрантов на баллере руля, приводимую в движение натяжением шкота грота и демпфируемую резиновой лентой. Позже была разработана более сложная система, названная лопастным механизмом . Она основывалась на небольшом флюгере или аэродинамическом профиле, приводящем в движение главный руль направления через регулируемую систему часовых механизмов. Он был очень похож на более поздние автопилоты с лопастным приводом, которые можно было увидеть на трансатлантических яхтах, такие как самоуправляемый руль Блонди Хаслера . Некоторые трансатлантические моряки-одиночки использовали грубую 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 на парусная яхта Winnibelle II и, во-вторых , моторная лодка Arielle .
Самоуправление на борту Winnibelle II во время перехода через Атлантический океан из Дуарнене , Франция, в Нью-Йорк в 1933 году было чем-то похоже на механизм Braine, в котором использовались сдвоенные стаксели (Trinquettes jumelles), шкоты которых были соединены с рулем направления с помощью множества блоков и тросов. Winnibelle II с длинным килем была совершенно устойчива на курсе на крутом бейдевинде или в точках вылета по ширине, но самоуправляемая система двойного стакселя могла взять верх на более сложных участках с широкими плесами по ветру и в точках плавания.
На небольшой моторной лодке Arielle , 13-метровой лодке с 65-сильным дизельным двигателем французского производства Бодуэна, 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 направления; главный под корпусом, в гонке гребных винтов, предназначался для ручного управления, а меньший вспомогательный руль направления устанавливался на транце. Этот вспомогательный руль направления мог иметь механический привод с помощью специального флюгера, установленного на крыше кареты и состоящего из двух прямоугольных аэродинамических профилей, установленных под углом на вертикальной оси и уравновешенных противовесом. Он был прост и работал довольно хорошо, но не мог управлять лодкой при очень слабом ветре или штиле.
Пока Марин Мари оснащал Ариэль в Нью-Йорке, к нему подошел французский изобретатель по имени Казель и предложил бесплатно установить электрический автопилот его изобретения. Автопилот Casel использовал революционные на тот момент фотоэлектрические элементы и систему света и отражающих зеркал на магнитной компасной розе . Его принцип в чем-то похож на современные электронные автоштурвалы, за исключением современного феррозондового датчика для системы автопилотов. Автопилот Casel, который включал в себя набор контрольных ламп зеленого, красного и белого цвета, использовал электродвигатель для воздействия на главный руль направления. Хотя его основной принцип был надежным и пригодился на некоторых участках перехода, он оказался слишком легким для мокрой, вибрирующей маленькой лодки, и на нем было много проблем. Марин-Мари, хоть и был благодарен в некоторых случаях, в целом ненавидел этот темпераментный прием, особенно когда он обнаружил, что Казель случайно спрятал свои запасы бордоского вина в отсеке автопилота, неохотно обрекая его на трезвое пересечение Атлантического океана продолжительностью около 20 дней.
Электронное самоуправление контролируется электроникой, работающей в соответствии с одним или несколькими входными датчиками, неизменно, как минимум, магнитным компасом, а иногда и направлением ветра или положением GPS относительно выбранной путевой точки. Электронный модуль рассчитывает необходимое рулевое движение, а приводной механизм (обычно электрический, хотя в более крупных системах, возможно, гидравлический) заставляет руль направления двигаться соответствующим образом.
Существует несколько возможностей взаимодействия между механизмом привода и обычной системой рулевого управления. На яхтах наиболее распространены три системы:
В зависимости от сложности блока управления (например, румпель, прикрепленный к рулю картплоттер и т. д.), электронный самоуправляемый механизм может быть запрограммирован на удержание определенного курса по компасу, на поддержание определенного угла к ветру (так что плавание лодкам не нужно менять дифферент паруса), чтобы направиться в определенное положение или выполнить любую другую функцию, которую можно разумно определить. Однако количество энергии, необходимой электрическим приводам, особенно если они постоянно работают из-за морских и погодных условий, является серьезным фактором. Крейсеры дальнего следования, которые не имеют внешнего источника электроэнергии и часто не используют 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, многие суда также используют фотоэлектрические (PV) солнечные панели или небольшие ветряные турбины на лодке. Это исключает дополнительное загрязнение и снижает затраты. [3]
Основная цель механического самоуправляемого устройства — удержать парусник на заданном курсе навстречу вымпельному ветру и освободить рулевого от работы по рулевому управлению. Преимущественным побочным эффектом является то, что паруса удерживаются под оптимальным углом к вымпельному ветру и тем самым обеспечивают оптимальную движущую силу. Даже на парусных лодках, работающих под двигателем, можно использовать саморулевой механизм, чтобы удерживать судно курсом против ветра, чтобы легко устанавливать или менять паруса (исключение: принцип «шкот-румпель»).
В качестве датчиков направления ветра используются
а) флюгер, установленный на оси, более или менее наклоненной к горизонту (флюгер самоуправляемый);
б) давление ветра в парусе(ах) и тем самым сила, действующая на парус(ы). лист (лист к румпелю самоуправляемый).
Различные механические принципы механической связи изменения направления вымпельного ветра с приводом изменения курса (рулем направления) можно грубо сгруппировать:
Механические самоуправляемые агрегаты производятся рядом производителей, [4] но большинство систем, выпускаемых сегодня, имеют один и тот же принцип (маятниковый серворуль направления, см. ниже). Помимо потребности в электроэнергии, многие круизеры дальнего плавания отмечают , что электронное самоуправляемое оборудование является сложным и вряд ли поддается ремонту без запасных частей в отдаленных районах . Напротив , лопастной механизм дает, по крайней мере , возможность импровизированного ремонта в море и обычно может быть восстановлен на суше с использованием неспецифических деталей (иногда деталей сантехники) местным сварщиком или машинистом . Чтобы свести к минимуму потерю скорости из-за механизма автоматического рулевого управления, важно, чтобы паруса судна были сбалансированы с небольшой нагрузкой на руль, прежде чем предприниматься какие-либо попытки включить автоматическое рулевое управление. При правильной дифферентации парусов баланс сил сервовесла и основного или вспомогательного руля минимизируется таким образом, что достигаются наименьшие углы атаки руля и сервовесла по отношению к потоку воды. Однако обычно необходимы некоторые эксперименты и суждения, чтобы определить правильные настройки для данного судна и рулевого механизма. Популярным источником [ нужна ссылка ] по современной технологии флюгеров является «Справочник по самоуправлению флюгеров» . [5] Одним из особенно ценных вкладов [ нужна ссылка ] в книге Морриса является его освещение различных сплавов, используемых в производстве лопастных шестерен. Моррис признается, что у него есть практика устанавливать кухонный таймер на полчаса и спать, пока флюгер управляет штурвалом, даже при встречном ветре от 25 до 35 узлов. В недавнем интервью он рассказал, что однажды, когда он спал на своем парусном судне по Красному морю, его едва не сбило огромное грузовое судно. Моррис отмечает: «Автопилот не имел бы никакого значения в этом случае. Если бы я использовал электронный автопилот, то грузовое судно все равно было бы там. Я принял решение проплыть две трети своего кругосветного плавания в одиночку». , и я принял на себя риски, связанные с этим решением, думаю, судьба была на моей стороне».
В прежних сервосистемах с триммером поворотное движение серволопасти вокруг его вертикальной оси осуществлялось сервоязычком триммера , что, однако, требует некоторого усилия из-за того, что триммер перемещается в противоположном направлении. чтобы повернуть лезвие сервопривода. То же самое касается и триммера, который установлен на большом расстоянии позади руля корабля и соединен с ним своим верхним и нижним концом. Эта конструкция называется «Ригг Сайе». Другая версия флюгера с автоматическим рулевым управлением на парусных лодках известна как флюгер с вертикальной осью, и обычно из-за меньшей выходной рулевой силы по сравнению с сервомаятниковыми устройствами для управления курсом лодки используется триммер , свисающий с руля направления. . Флюгер вращается под прямым углом к земле и может зафиксироваться на триммере в любом желаемом положении. Когда лодка падает с ветра, флюгер повернется ветром и унесет с собой триммер, что, в свою очередь, приведет к срабатыванию руля направления. двигаться в противоположном направлении и тем самым корректировать курс. Обычно такое автоматическое рулевое управление с триммером можно использовать только на лодках с транцевыми (или кормовыми подвешенными двойными рулями) рулями, поскольку триммер должен быть установлен непосредственно на руле направления и позади него для достижения желаемого эффекта, и, конечно же, приходится контролировать даже тогда, когда руль направления раскачивается из стороны в сторону. Обычно это достигается за счет использования стержня с прорезями, в котором соединение с узлом лопатки может вставляться при повороте руля направления. Эти системы самоуправления, как правило, проще, и, следовательно, их легче устанавливать и корректировать курс, поскольку они не используют стропы, управляющие рулем направления, а управляют им более непосредственно через прочные связи. [6] Подобное устройство использовалось на некоторых ветряных мельницах : ветряная мельница , небольшая ветряная мельница, установленная под прямым углом к гроту, которая автоматически поворачивает тяжелую шапку и грот-паруса против ветра (изобретано в Англии в 1745 году). (Когда ветер уже направлен прямо в основные лопатки, веерный хвост остается практически неподвижным.)
Лишь немногим производителям удалось создать системы, которые управляют вспомогательным рулем направления непосредственно от флюгера (несервосистемы: Windpilot Atlantik, Hydrovane); На показанном изображении флюгера используется этот принцип с большим тканевым флюгером на вертикальной оси (преимущественно используется использование флюгеров с почти горизонтальной осью).
Самая распространенная форма автоматического управления, маятник с сервоприводом, была введена для управления мощностью, необходимой для управления более крупным рулем направления, и стала преемником принципа триммера с сервоприводом (представленного Гербертом «Блонди» Хаслером ). Общим для всех систем руля направления (весла, лопасти) с сервоприводом является тот факт, что скорость лодки в воде используется для усиления небольшой силы, исходящей от флюгера, чтобы иметь возможность повернуть руль направления. Лопасть сервопривода может поворачиваться по вертикальной оси и подвешиваться как маятник . При повороте его вокруг своей вертикальной оси поток воды создает боковую силу на область лопасти, а мощное поворотное движение в сторону используется для воздействия на руль направления (корабельный или вспомогательный руль направления интегрирован в систему). Узкая вертикальная доска, называемая флюгером, установлена на держателе почти горизонтальной оси, который сам вращается вокруг своей вертикальной оси, так что при движении лодки в желаемом направлении флюгер находится вертикально и обращен к ветру ребром. Флюгер уравновешивается небольшим грузом под шарниром, но если лодка повернется так, что доска больше не будет обращена к ветру, ее снесет в одну сторону, поскольку обнажится дополнительная площадь поверхности. Это движение передается с помощью ряда связей на лопасть (или весло) в воде, так что весло поворачивается вокруг своей вертикальной оси, когда флюгер поворачивается из нейтрального положения. Когда лезвие, описанное выше, поворачивается, давление воды, проходящей мимо него, заставляет его отклоняться в сторону на конце поворотного стержня. Погружаемая 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 Нм, когда весло имеет профиль NACA0012. [7] Усилие рулевого управления сервовеслом передается на главный руль направления, обычно включающий в себя расположение двух тросов и четырех или более роликов для направления рулевых тросов к штурвалу или рулевому колесу.
Современные сервомаятниковые самоуправляемые устройства с оптимизированной трансмиссией и механикой с низким коэффициентом трения все чаще используются для дневного плавания и круизов; раньше использовался в основном для океанских переходов на большие расстояния. Повышенные возможности оптимизированных современных устройств при слабом ветре позволяют управлять по ветру при вымпельном ветре до 1,3 м/с и скорости лодки до 1,5 узлов [8] [9] – свойства, которые делают электронное рулевое устройство практически ненужным и позволяют преодолевать застойные явления под ветром. лопастной самоуправляемый. Все большее число моряков, участвующих в регатах на длинные дистанции, используют флюгерное самоуправление, поскольку паруса всегда удерживаются под оптимальным углом к ветру, и, следовательно, скорость лодки поддерживается на максимально возможном уровне.
Математическое описание сервопривода горизонтального флюгера охватывает связь ошибки курса с установившимся углом руля направления для коррекции ошибки курса. Динамика описывается уравнениями связи силы и импульса. [10] [11] В основном используются три различных принципа механической трансмиссии: шарнир Мюррея, коническая шестерня 90 °, Z-вал, которые из-за своей геометрии имеют различное изменение рулевого усилия в зависимости от изменения курса. [12]
В случаях, когда чисто сервомаятниковое саморулевое устройство невозможно использовать (гидравлический рулевой механизм, для поворота руля требуется очень большое усилие), используются вспомогательные системы руля. Они состоят из маятникового руля направления с сервоприводом, соединенного непосредственно со вспомогательным рулем направления, который является частью системы автоматического управления. Главный руль направления в этом случае используется для «триммирования» основного курса, а саморулевой механизм управляет «вокруг» этого основного курса в соответствии с изменениями вымпельного ветра.
Помимо широко распространенного механического самоуправления за счет флюгера, механически соединенного с рулем направления или маятникового руля направления с сервоприводом, существует принцип механического самоуправления, называемый «лист к румпелю». Именно таким способом Ролло Гебхард пересек Атлантику на своем «Сольвейге» длиной 5,6 м. Самоуправление «шкот-румпель» состоит из соединения подпружиненного румпеля и шкота, использующего силу ветра в парусе для управления лодкой.
В течение довольно долгого времени коммерчески доступные системы автоматического управления практически не развивались. Большинство новых разработок представляло собой системы самостоятельной сборки. Решающую роль сыграл Уолт Мюррей, американец, опубликовавший свои разработки на своем веб-сайте. [13] и голландец Ян Алкема, которые разработали новый флюгер, так называемый перевернутый флюгер (для краткости в долларах США, коммерчески доступный только у двух брендов) и новый вид маятниковой системы с сервоприводом, которую можно было установить на лодки с транцем. подвесной руль. За это последнее изобретение Ян Алкема был награжден премией Джона Хогга-Прайса от AYRS (Общества исследования любительских яхт) в 2005 году. Ян Алкема опубликовал множество своих изобретений на веб-сайте Уолта Мюррея. [13]
Йорн Генрих добавил в 2010 году механизм [14], использующий угол крена лодки при движении с подветренной стороны для корректировки угла атаки сервопривода весла, что увеличивает устойчивость курса и снижает риск брейчинга при попутном волнении. [15] Йорн Генрих также опубликовал механизм [16] , который использует плавник в воде для компенсации изменения вымпельного ветра во время ускорения/замедления многокорпусных яхт с большим потенциалом скорости, таких как катамараны и тримараны, при порывах ветра. Генрих применяет свое собственное программное обеспечение для параметрического моделирования VaneSim [17] для оптимизации саморулевых устройств флюгера в соответствии со свойствами лодки.
Некоторые известные самоуправляемые парусники включают: