Современное понятие “композитный рангоут” подразумевает конструкции из различных угле, стекло, кевларовых ламинатов, и именно о них мы и будем говорить, хотя, строго говоря, некоторые классические образцы деревянного рангоута можно также отнести к композитным.

Исторически определившийся ход технического прогресса демонстрирует нам органичную, и на сегодняшний день воспринимающуюся, как само собой разумеемую, неразрывность источника свежей человеческой мысли и ее воплощения в термине “аэро”. Технологии яхтинга моментально впитывают все положительно зарекомендовавшие себя практичные инновации аэрокосмического мира, а многие гиганты мысли, такие как, например, профессор Свен Риддер ¹, освещают своим гением как авиацию, так и парусный спорт с одинаковой увлеченностью. Итак, композитный рангоут пришел к нам из “аэро”, оказав настолько большое влияние на развитие некоторых парусных конструкций, что иные уже невозможно представить с “традиционным” рангоутом из легкого сплава, который, впрочем, тоже из “аэро”. Далее под термином “рангоут” ² мы будем понимать совокупность круглых, трубчатых частей вооружения судна, предназначенных для постановки парусов, сигнализации, поддержания грузовых стрел и т. д.

Желание конструкторов сделать рангоут легче и прочнее было естественным и настолько сильным, что не останавливало их перед дороговизной, и первые опыты применения этой “экзотики” появились на яхтах в конце 60-х. Эффект от этих применений был ощутимым, что незамедлило отразится на содержании тогдашнего царя голов яхтенных конструкторов — правил IOR ³, запрещавших композитный рангоут кроме как в виде спинакер гика и румпеля. Но, тем не менее, могильщики IOR продолжали укреплять мощную поступь композитного рангоута в парусные “массы” том числе в виде наиболее простых в технологии, свободно стоящих мачт. Действительно, свободно стоящая мачта в парусных комплексах применяется очень широко, начиная с самых маленьких, для парусных досок и заканчивая, скажем, внушительными по размерам для знаменитой серии яхт “Freedom”. Гвоздь парусного сезона 1996 года — парусный комплекс AeroRig ⁴ также базируется на свободно стоящей мачте из углепластика. Сегодня невозможно даже представить себе парусную доску любого класса с металлической и тем более с деревянной мачтой. Другой, также огромный ареал обитания свободно стоящих мачт — это легкие спортивные швертботы, типов и классов которых, использующих свободно стоящие мачты, в мире огромное множество. Даже в “олимпийский” парус, являющийся далеко не самым представительным в парусном мире, свободно стоящие мачты пробрались в два класса — “Финн” и “Европа”. Причины просты — благодаря своим статическим и динамическим характеристикам они являют собой прогресс, ведущий к улучшению ходовых и эксплуатационных качеств классов парусников, на которые действие IOR не распостраняется. А самое главное то, что стоимость композитных свободно стоящих мачт на данный момент ненамного превышает стоимость металлических и постоянно падает из-за того, что допустимая конструкция свободно стоящих мачт позволила автоматизировать их производство (как и в случае с лыжными палками), серийность резко возросла, накладные расходы упали, удельная стоимость сырья также, и т. д. Все строго по Карлу Марксу. Самое время бы нашему, опять красному руководству, запретить IOR как совершенно не марксистский. Глядишь, хоть какая-нибудь польза парусу вышла. Шутка. Можно вычеркнуть.

А сейчас, после краткой лирики, хотелось бы остановиться на том, почему же композитный рангоут так широко представлен в виде свободно стоящих мачт и пока не очень широко — в виде классических, с такелажем.

Причин две: одна конструкционная, другая, на мой взгляд, философская. Если подходить с точки зрения конструкции, то легко просматривается главное отличие: свободно стоящая мачта работает на изгиб, а классическая — на сжатие. И пути решения проблем удержания остойчивости мачт при изгибающих нагрузках и нагрузках на сжатие совершенно разные, как по форме, так и по содержанию. Но если в “металлическом случае” возможности конструкторов из-за скудных способностей варьировать материаловедческие характеристики невелики по сути и очень велики по затратам, то в композитном (в нашем случае пластиковом), варианте все строго наоборот, и здесь две вышеизложенные причины начинают пересекаться.

Для пояснения придется ненадолго задержать внимание на особенностях технологии производства обоих типов композитных мачт.

Мачты, испытывающие изгибающие нагрузки, обычно изготавливаются путем намотки или плетения армирующих волокон, пропитанных связующем вокруг конического дорна, являющего собой как бы прототип формы будущего изделия. Связующим могут быть различные смолы — от фенольных до полиэфирных. Ранее чаще всего использовались эпоксидные связующие. Поступают таким образом потому, что угольное волокно, практически всегда входящее в состав армирующих волокон, имеет очень малые значения коэффициента относительного удлинения, обычно в четыре раза меньше, чем у конструкционного стекла. И для того, чтобы мачта не лопалась и не хрустела, схему намотки или укладки организуют так, чтобы уравнять допустимые, без разрушения, линейные перемещения армирующих волокон с разными свойствами. Реально получается так, что угольные волокна наматывают или укладывают под углом в 45 градусов к оси мачты т. е. в виде пружины, а стеклянные укладывают строго в продольном направлении. Методом послойного ламинирования укладывается столько слоев, сколько необходимо для данной конструкции мачты. Далее связующее полимеризируют и термостатируют, после чего снимают с дорна. Легко видно, что такая технология сравнительно просто автоматизируется при условии, что количество слоев по всей длине мачты или другой детали рангоута одинаково. Для плетения или укладки волокон используют машины аналогичные тем, которые плетут тросы и канаты. Фактически получается композитный аналог металлического профиля, изготавливаемого методом прокатки или экструзии.

Преимущества данных мачт следующие:

• они легче металлических;
• они коррозиоустойчивые;
• в них легко программировать заданные свойства жесткости и гибкости;
• они могут иметь меньшее, по сравнению с металлическими, сечение и, следовательно, лучше работать с парусом;
• их легко ремонтировать.

Недостаток один и главный — такие конструкции, как правило, имеют постоянную толщину стенки профиля, что сужает возможности программирования заданных характеристик по жесткости и гибкости и доказывает то, что данный недостаток является жертвой философии технологов, идущих по проторенной дорожке “металлистов”.

Богатство технологий, перепробованных для производства классических, с такелажем, композитных мачт, испытывающих основные нагрузки на сжатие, достойно отдельной энциклопедии. Описание творческих поисков технологов наполнилось бы драмами и страстями не хуже Шекспировских, потому что в начале “композитного” движения каждая мачта проектировалась и строилась для какого-нибудь уникального жертвенного проекта, с которым зачастую напрямик были связаны судьбы и состояния. Тут пути творческих поисков яхтсменов во многом напоминают пути авиаторов.

На мой взгляд, главной причиной неудач являлась опять таки философская инертность мышления технологов, на которых подспудно давлели конструкции металлических прототипов. И все потому, что в начале разрабатывались композитные мачты, а не комплексы мачта/парус, и конструкторы пытались повторить металлическую философию в новом материале. Только широкий подход к решению данных проблем породил поистине шедевры яхтинга такие, как, например, мачта - крыло ХХХХХ для катамарана “Stars and Stripes” Дэнниса Коннера ⁵ или мачты для 18-ти футовиков Джулиана Бетвайта ⁶.

На сегодняшний день за рубежом основное распостранение получили две технологии — матричная и пневматическая. Матричная технология — это когда изготовляются матрицы двух продольных половинок мачты с таким расчетом, чтобы после формовки обе половинки изделия могли вкладываться друг в друга как половинки мыльницы. Часто при формовке, особенно при применении эпоксидного связующего, используют вакуумное уплотнение слоев. Для получения готового изделия продольные половинки мачт просто склеивают по шву. Матрицы при этом могут быть любой формы, необходимой для получения нужных характеристик изделия, таких как момент инерции профиля в различных сечениях мачты, встроенные ребра жесткости, ликпазы, полости для проводок, электрокабелей и т. д. Более того, мачты не имеют ограничений по толщине стенки на длине профиля, а это означает, что стенки можно делать очень тонкими по всей длине и иметь специальные утолщения, приливы, только в необходимых местах, таких как краспичные стаканы, степс, вертлюг гика и т. д. Это является очень важным преимуществом, потому, что позволяет, например, изготовить мачту аналогичную по общему весу мачте из алюминиевого сплава из простого стеклопластика, но с более выдающимеся характеристиками. Нижняя часть такой мачты имеет конструктивно очень толстые стенки и, соответственно, довольно тяжелая, тяжелее алюминиевой, а верхняя часть имеет очень тонкие стенки и очень легкая. Правильно изготовленную “стеклянную” мачту можно согнуть буквой “U”. Мне довелось быть свидетелем случая, когда на яхте, идущей в лавировку, по вине экипажа на “стеклянной” мачте была потеряна наветренная краспица. Команда состояла из опытных дедов, которые хорошо знали, что за этим следует. Так как дуло, рулевой даже не попытался сделать поворот на другой галс, а просто, как и весь экипаж “зашхерился”, спасаясь от падения мачты. Мачта плавно изогнулась как удочка под ветер, верхушка моментально скинула давление и лодка привелась до левентика с трепещущим гротом. Обалдевший рулевой оторопело увалился на другой галс и не меняя его вернулся в клуб.

Матричные мачты имеют еще одно значительное преимущество перед металлическими, особенно в случае больших яхт. Их можно перевозить к месту окончательной сборки короткими секциями и стыковать, склеивать друг с другом в местах матричных стаканов. Стоимость перевозки длинномерных изделий более 22 метров даже в пределах Европы очень велика и может достигать 30% от стоимости профиля.

Недостатками матричной технологии являются:

• дороговизна изготовления, т. к. послойное ламинирование производится вручную;
• наличие двух клеевых и более швов, ухудшающих характеристики изделия по старению.

Преимущества перечислены выше и к этому добавить можно только то, что лучшие яхты для океанских гонок, одно- и многокорпусники давно уже сделали свой выбор в пользу композитных матричных конструкций, а все ведущие фирмы, занимающиеся изготовлением рангоута, давно образовали композитные отделения. А такие как “Carbon Spars” уже догоняют родителей по объемам производства.

Пневматическая технология наиболее совершенна, позволяет получать изделия наивысшего качества но и наиболее сложна. Заключается она в том, что вовнутрь ламината вкладывается эластичный пневматический мешок, который раздуваясь прижимает ламинат к стенкам матрицы. Продольные половинки матрицы скреплены друг с другом длинным шарниром, напоминающем “рояльную” петлю, причем между ламинатом и стенками матрицы прокладывается тонкая пленка, закрывающая один из швов, второй же выводится, как правило, в ликпаз. Пневматическая технология позволяет получать композитные профили всего с одним швом или вообще без шва ⁷. Уменьшение количества швов или вообще избавление от оных значительно повышает эксплуатационные характеристики композитных изделий, особенно в части снижения процесса старения всего изделия в целом.

Старение композитного изделия на сегодняшний день является главной эксплуатационной проблемой и связано с процессом постепенной деламинации (расслоения) в первую очередь участков конструкции более низкого качества. Другими словами, чем однороднее и качественнее все участки композитной конструкции, тем она долговечнее. Пневматическая технология как раз и обеспечивает наиболее высокое качество ламинатов при серийном производстве в матрицах.

Теперь самое время отметить то, как достижения технологии производства композитного рангоута влияют на повышение эффективности парусных комплексов.

Новые, легко программируемые свойства композитного рангоута, позволили максимально повысить эффективность парусного комплекса — мачта/мягкий парус и приблизить её к эффективности жесткого крыла. Впервые примененная для парусов парусных досок мягкая верхушка мачты позволила приблизить их форму к симметричной и реализовать твист-эффект. На яхтах эластичная верхушка не только позволяет использовать твист-эффект, но и упрощает работу с парусом при усилении ветра. Отпадает необходимость брать первые рифы, т. к. верхушка мачты начинает автоматически “сбрасывать” воздушный поток, снижая центр парусности и тем самым уменьшая крен. Мачты стали избавляться от ахтерштагов и бакштагов. Контролировать прогиб стало возможным не только натяжением задней шкаторины грота, но и через отогнутые назад краспицы. Композитные мачты приобрели более тонкие профили и заметно снизили затенение грота по передней шкаторине. И наконец, стало легко реализовывать турбулизаторы ⁸ на лобовой и боковых поверхностях мачтовых профилей, что на металлических мачтах могли себе позволить только гонщики Кубка Америки.

Но было бы некорректным после всего вышеизложенного утверждать, что дни металлического рангоута сочтены. При всех его недостатках для массового тихоходного крейсерского яхтинга он все ещё сохраняет экономическую привлекательность. Но может быть, в скором будущем, ценители “ретро” будут хвастаться алюминиевыми мачтами примерно так же, как сегодня деревянными.

Примечания:

1 — Свен Риддер — известен в России как изобретатель указателя “Windex”, автор конструкций сверхлегких самолетов с тем же названием. Принимал очень большое участие в работах над шведским истребителем “Вирген”. Основатель известной фирмы по производству очень надежных композитных мачт B&R Design. Автор конструкции такелажа с одноименным названием.
2 — от голландского rondhout — круглое дерево
3 — IOR — International Offshore Rules, “справедливые” правила постройки и обмера спортивных яхт, надолго затормозившие развитие крейсерского парусного спорта, ныне действуют только как вы думаете где? — правильно, в России, как единственные действующие Правила постройки и обмера крейсерских гоночных яхт.
4 — ???
5 — катамаран “Stars & Stripes” (Звезды и Полосы американского флага) это яхта построенная для взятия реванша у Австралии за победу в гонках на Кубок Америки.
6 — открытый класс экстремальных парусников, позволяющий применять любые идеи конструкторов, устремленных на достижение максимальной скорости однокорпусных яхт. Правила класса содержат только два пункта. Пункт первый: длина корпуса судна не должна превышать 18 футов (около 6 метров). Пункт второй: старт гонок должен начинаться в 2 часа пополудни.
7 — для конструкционных связующих малой вязкости типа NORPOL 2000 фирма KOMPAN Marine г. Санкт-Петербург, Россия, разработала безшовную пневматическую технологию производства композитных профилей. В данный момент по этой технологии производятся в частности рангоут для яхт Алекстар 25.
8 — особым образом расположенные обтекаемые выступы, снижающие копмлексное аэродинамическое сопротивление мачты с парусом.

Александр Тараненко
ноябрь 1998 года