Продувка в аэродинамической трубе показала: эту движущую силу можно увеличить почти в 2 раза, если накрыть сверху цилиндр диском (в виде плоской- тарелки), диаметр которого больше, чем дйаметр самого цилиндра. Кроме того, важно было найти нужные соотношения между скоростью ветра и угловой скоростью вращения ротора. От этого зависит величина силы, вызываемой вращением; потому-то сначала роторы испытывались в аэродинамической трубе и потом уже на модели судна. Эксперимент позволил установить их оптимальные размеры для опытного судна, а за необычным движителем с тех пор закрепилось название «ротор Флеттнера».
В качестве первого опытного судна для его испытания использовали видавшую виды трехмачтовую шхуну «Букау» водоизмещением 980 т. В 1924 г. на ней вместо трех мачт поставили два ротора-цилиндра высотой 13,1 ми диаметром 1,5 м (здесь и далее см. изображения судов на центральном развороте журнала), Их приводили в движение два электромотора постоянного тока напряжением 220 В. Электроэнергию вырабатывал небольшой дизель-генератор мощностью 33 кВт (45 л.е.).
Испытания начались на Балтике и закончились удачно. В феврале 1925 г. судно покинуло «Вольный город Данциг», направляясь в Англию. В Северном море «Букау» пришлось бороться с сильным волнением, но шхуна за счет правильной перебалластировки раскачивалась меньше, чем обычные корабли. Опасения, что тяжелые роторы отрицательно подействуют на остойчивость судна или сами пострадают во время качки, не оправдались, давление ветра на их поверхности не достигло больших величин. В то же время погода была настолько скверной, что многие суда, такого же водоизмещения, как и «Букау», искали убежища в близлежащих портах. «Ни один парусник не мог бы совершить плавания, которое проделала роторная шхуна»,- писали английские газеты.
Обратный переход в Куксхафен тоже сопровождался штормами. На этот раз
Рис.3. Изменение скорости (средние значения) судов: 1) с энергетическими установками (ЭУ), 2) парусных и 3) с комбинированными (парусными и ЭУ) движителями.
«Букау» нагрузили углем по ватерлинию, и она еще раз показала свои преимущества перед другими парусниками. Волны перекатывались через палубу и разбили спаса
тельную шлюпку, но сами роторы никаких повреждений не получили. Впоследствии шхуну переименовали в «Баден-Баден» и она совершила еще одно трудное плавание - перенеся жестокий шторм в Бискайском заливе, пересекла Атлантический океан и благополучно прибыла в Нью-Йорк.
Роторный движитель получил высокую оценку. Он оказался проще в обслуживании, чем то требовали обычные паруса, быстро входил в рабочий режим, и поэтому испытания решили продолжить. В 1924 г. на верфи акционерного общества «Везер» (Германия) было заложено первое судно, спроектированное специально для плавания с роторным движителем. Его назвали «Барбара» и предназначили для перевозки фруктов из портов Южной Америки в Германию. При длине 85, ширине 15,2 и осадке 5,4 м, судно имело грузовместимость около 3000 т. По первоначальному проекту на нем предполагалось поставить один гигантский ротор высотой 90 м и диаметром 13,1 м, но затем, учитывая опыт шхуны «Букау», ротор-колосс заменили тремя меньшего размера - высотой 17 м и диаметром 4 м. Их изготовили из алюминиевых сплавов с толщиной стенок несколько больше миллиметра. Для каждого ротора предназначался один мотор мощностью 26 кВт (35 л.е.), развивающий 150 об/мин. При ветре 5 баллов (8 - 11 м/с) благоприятного направления (курсовой угол 105 - 110 градусов) тяга роторных движителей была эквивалентна работе двигателя мощностью 780 кВт (1060 л.е.). Кроме того, одновальная дизельная установка мощностью 750 кВт (1020 л.с.) с приводом на гребной винт дополняла тягу ротора, что позволяло судну идти со скоростью 10 узлов (18,5 км/ч).
В начале 1926 г. судно сдали заказчику, и оно до конца года перевозило фрукты из Италии 8 Германию - нужно было испытать роторы в длительной эксплуатации. С 1927 г. «Барбара» совершала регулярные рейсы в Южную Америку, однако через три года предпочтение все же отдали дизельному двигателю, заменив им роторы.
Являясь, по существу, парусниками, ро
торные суда обладали перед ними колоссальными преимуществами. Отпадала необходимость вызывать команду на палубу для уборки и постановки парусов; всего один офицер (на мостике) управлялся с движением роторов при помощи нескольких рукояток. В бейдевинд эти суда шли - до 30 градусов, тогда как у большинства обычных парусников угол между направле
нием ветра и направлением движения составляет не менее 40 - 50 градусов. Скорость хода регулировалась скоростью вращения роторов, а маневрирование - изменением направления их вращения. Роторные суда могли даже давать задний ход.
Однако сложность конструкции роторных движителей, а главное - то обстоятельство, что оснащенные ими суда продолжали оставаться парусниками со всеми недостатками, первый из которых - полная зависимость от ветра, не привели к их широкому распространению.
Тем не менее, несмотря на все минусы, конструкторы вновь и вновь возвращались к идее использования энергии ветра.
В середине 60-х гг. во многих морских странах были созданы специальные конструкторские бюро, которые занимались проблемой ветродвижения, то есть движения судна с помощью ветродвигателей и ветродвижителей. В первом случае преобразование энергии ветра в тягу происходит по цепочке: ветродвигатель - передача (механическая или электрическая) - гребной винт. По конструкции различают ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (1-2-3- или многолопастная турбина) и с вертикальной, например, турбина барабанного типа; по скорости вращения - быстроходные, имеющие высокую скорость вращения (хорошо сочетаются с электрогенераторами по частоте вращения), и тихоходные, создающие большой вращающий момент непосредственно на гребной винт. При использовании ветродвигателя судно не ограничено в выборе курса относительно направления ветра, однако он, ветродвигатель, имеет малый КПД по причине многократного преобразования энергии. Ветродвигатель эффективен при скоростях ветра3 - 4< У, <12-14м/с, причем судно лучше двигается при встречных ветрах, нежели при попутных; при скорости ветра 15 - 20 м/с он должен быть остановлен, поскольку возникает угроза его разрушения,
Опытные ветродвигатели различных конструкций были успешно испытаны на яхтах. Однако на больших транспортных судах они не используются даже в качестве приводов электрогенераторов, хотя эксперименты в этом направлении ведутся.
Во втором же случае сила тяги, влекущая судно, возникает непосредственно на вет-родвижителе, но плавание прямо против ветра и в некотором диапазоне курсовых углов вблизи этого направления невозможно; скорости таких судов зависят от скорости ветра и сравнительно невелики - 7 - 10 узлов (13 - 18,5 км/ч). К основным типам ветродвижителей относятся уже известный нам роторный Флеттнера, парус-крыло и классический парус, который до сих пор продолжают совершенствовать, причем по линии создания новейших материалов и реализации наиболее эффективных проектов, Если на кораблях викингов, на ладьях руссов, каравеллах, барках, клиперах использовали полотняные паруса, а некоторые народности, например нивхи, живущие на Сахалине и по низовью Амура, делали паруса из рыбьей кожи, то сейчас, благодаря достижениям химии, созданы новые материалы с поразительными свойствами. Появились немнущийся лавсан и термоустойчивый нитрон, а в 1977 г. прошли промышленные испытания пластмасс и синтетических волокон, отличающихся повышенной прочностью и легкостью. Именно такие материалы используются для современных судов с парусным движи-
Первые полномасштабные исследования с ветродвижителями были проведены в 1960 - 1967 гг. в гамбургском институте
ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 2 9 8
Шхуна «Букау» с роторными парусами
Впервые роторные турбопаруса немецкого инженера Антона Флеттнера были успешно испытаны на шхуне «Букау» в 1924 году .
В 1980-х годах более сложная форма турбопаруса была разработана французскими инженерами под руководством океанолога Жака-Ива Кусто . Наиболее успешно она применялась на судне «Алсион ».
Техническая конструкция
Концепция
Эффективность системы, однако, до сих пор не подвергалась обстоятельному сравнительному анализу. Система Турбопарус успешно действовала только на двух судах, и группа Кусто - единственная в мире организация, располагающая большим объёмом данных об этом устройстве. Страница, посвящённая «Алсиону» на сайте Команды Кусто , сообщает, что Турбопарус способен обеспечить экономию до 35 % горючего .
Раннее развитие (1981-1982) : «Moulin à Vent»
Кусто и его исследовательская команда установили своё изобретение на катамаран под названием «Moulin à Vent» (с фр. - «ветряная мельница») и опробовали систему в плавании из Танжера в Нью-Йорк . Переход подходил к концу, когда недалеко от американского берега судну пришлось столкнуться с ветрами, скорость которых превышала 50 узлов . Сварные швы , удерживавшие турбопарус в вертикальном положении, лопнули, и прототип рухнул в море.
Прототип системы состоял из единственной трубы, выкрашенной в тёмно-синий цвет. Исследовательская программа судна ставила целью определить эффективность тяги системы. Хотя турбопарус и давал тягу и энергию, но в меньших количествах, чем обычные паруса и генераторы, которые он замещал. Конструктивные проблемы системы привели к короблению конструкции и появлению трещин у основания паруса (за счёт усталости металла). Всё это значительно снизило эффективность турбопаруса. После того, как основная идея получила подтверждение, Кусто и его группа прекратили работу над прототипом, полностью сосредоточившись на более крупном судне, «Алсионе».
«Алсион»
Кусто использовал приобретённый опыт при постройке нового судна. Совместно с инженерами-судостроителями он разработал алюминиевый корпус, прочный и лёгкий. Кормовая часть, аналогичная катамарану, придавала судну стабильность, а одиночный нос был заложен в конструкцию, чтобы разрезать волны и облегчать движение в бурном море. Два турбопаруса были установлены на палубе, а два дизельных двигателя давали питание нагнетателям. Судно было названо по имени Алкионы , дочери древнегреческого бога ветров Эола .
При постройке «Алсиона» (начатой в 1985 году) учитывались результаты работы с «Moulin a Vent». С использованием двух турбопарусов с уменьшенным соотношением сторон нагрузки на металл поверхностей значительно уменьшились. Оба паруса включали также осевые турбины для выработки энергии, а управление системой осуществляли компьютеры, подешевевшие к тому времени. Компьютеры координировали работу турбопарусов и дизелей, запуская последние, когда ветер полностью стихал, и останавливая их при достаточной скорости ветра. Для управления судном достаточно было всего 5 человек.
В 1980-х годах Кусто сделал «Алсион» флагманским судном своей группы и основной плавучей базой для исследований. Судно обошло вокруг света, собирая информацию об использовании турбопаруса в различных погодных условиях, полностью подтверждая при этом замысел создателей.
Судя по всему, в техническом творчестве появился феномен, который условно можно назвать бутылочным моделизмом. Дело в том, что моделисты самых различных направлений все чаще используют… пластиковые бутылки. Из этих легких и в то же время прочных сосудов они изготавливают прекрасные корпуса моделей яхт и катамаранов, баллоны сжатого воздуха для привода в действие пневмодвигателей авиа- и автомоделей. Тонкий прозрачный пластик стал идеальным материалом и для изготовления фонарей к моделям самолетов.
А вот еще одна модель, в конструкции которой используются пластиковые сосуды. Это катамаран с оригинальным роторным ветряным движителем.
Для начала несколько слов о том, как у ротора появляется движущая аэродинамическая сила. Давно подмечено, что если поместить вращающийся цилиндр в воздушный поток, то на цилиндр будет действовать сила, перпендикулярная направлению потока. Дело в том, что при вращении цилиндра направление движения одной из частей его поверхности совпадает с направлением течения воздуха, а вращение противоположной части - ему навстречу.
В соответствии с законом Бернулли, устанавливающим соответствие скорости течения воздуха и давления в нем, при увеличении скорости потока давление в нем уменьшается. При обдуве вращающегося цилиндра в зоне со встречным движением цилиндрической поверхности и потока давление оказывается меньшим, чем в зоне с попутным движением цилиндрической поверхности и воздуха. Появление же разности давлений вызывает образование силы, направленной перпендикулярно движению воздуийо-го потока от зоны большего давления к зоне меньшего давления.
Время от времени предпринимались попытки использования роторов для привода судов. Одним из самых удачных следует назвать движитель, установленный на исследовательском судне Жака-Ива Кусто «Калипсо». Вращающиеся цилиндры, смонтированные в диаметральной плоскости судна, позволяют на океанских переходах экономить немало топлива.
1 - поперечина мостика (фанера s15,2 шт.); 2- платформа мостика (сосна, рейка 60×15); 3 - корпуса роторов; 4-передняя часть корпуса модели катамарана; 5 - киль; 6 - задняя часть корпуса модели катамарана; 7 - рулевое устройство; 8- шайбы; 9 - болт М5; 10 - дистанционная шайба (резина); 11 -гайка М5; 12,17,21,22 - широкие шайбы (сталь); 13 - гайка вентиля (2 шт.); 14 - вентиль с золотником (от велосипедной камеры); 15-резьбовая пробка; 16-уплотнительная шайба (резина); 18 - распорная втулка (дюралюминий); 19 - подшипник (2 шт.); 20 - вал ротора (сталь); 23 - гайка М6; 24 - подшипниковый корпус (дюралюминий)
Следует отметить, что роторы на «Калипсо» раскручиваются небольшим вспомогательным двигателем. Однако неплохие результаты показывают и устройства, приводимые во вращение воздушным потоком.
В предлагаемой модели катамарана роторы также раскручиваются потоком воздуха. Каждый из роторов представляет собой пластиковую бутылку, на поверхности которой имеется множество лопаток - при обдуве такая бутылка, установленная вертикально на подшипниках, получает осевое вращение.
Впрочем, изготовление катамарана имеет смысл начать с корпусов - для каждого потребуется две полутора- или двухлитровые бутылки. Пластиковые сосуды в единый корпус стыкуются донышками и соединяются болтом М5, гайкой и шайбами- двумя стальными и одной резиновой. Такая стыковка получается весьма жесткой и обеспечивает абсолютно точную центровку. Дело в том, что донные выступы одного сосуда попадают во впадины другого.
Для такой стыковки требуются специальные инструменты - отвертка с удлиненным жалом и длинный торцевой ключ. Чтобы ввести крепеж внутрь бутылок, болт, гайку и шайбу можно прилепить к инструментам обычным пластилином.
1 - накладка (береза, рейка 12×10, 2 шт.); 2 - пластина (фанера s5)
Корпус ротора (основа ротора- пластиковая бутылка емкостью 1,5 или 2 л)
В пробки всех четырех бутылок вставляются вентили от велосипедных камер - с их помощью корпуса крепятся гайками к поперечинам мостиков. К тому же через вентили можно обычным велонасосом создать внутри корпусов избыточное давление воздуха, существенно повышающее их жесткость.
Подготовленные таким образом корпуса монтируются в единый катамаран с помощью мостика, состоящего из платформы (сосновая дощечка сечением 60×15 мм) и двух поперечин (фанера толщиной 15 мм). Детали мостика соединяются длинными шурупами диаметром 4 мм. В поперечинах сверлятся отверстия под вентили. Готовый мостик ошкуривается, окрашивается и покрывается двумя-тремя слоями паркетного лака.
Киль катамарана вырезается из фанеры толщиной 5 мм, в верхней его части эпоксидной смолой приклеиваются два березовых брусочка. Передняя часть киля имеет скругление, задняя сошлифована на клин. Готовый киль ошкуривается и покрывается двумя слоями паркетного лака. При необходимости, если устойчивость катамарана недостаточна, на конец киля можно навесить свинцовый бульб. Крепление киля к платформе мостика - четырьмя шурупами диаметром 4 мм.
Рулевое устройство катамарана состоит из фанерного рулевого пера и оси-румпеля. Последний выгибается из 4-мм стальной проволоки и на одном его конце нарезается резьба М4. Рулевое перо имеет симметричный профиль с округлой передней и заостренной задней кромками. Отделка пера стандартная: шлифовка, окраска и покрытие паркетным лаком.
Соединение пера с осью-румпелем неразъемное - на эпоксидном клее. Впрочем, если необходимо периодически разбирать катамаран, то при вклейке в перо оси резьбу на ней следует покрыть тонким слоем консистентной смазки. После отверждения смолы ось будет легко вывинчиваться из пера. Крепление рулевого устройства на платформе мостика - парой гаек и шайб.
А теперь основное - изготовление роторного движителя. Как уже упоминалось, каждый из роторов представляет собой шарнирно закрепленную на платформе полутора- или двухлитровую пластиковую бутылку со множеством отогнутых лопаток на поверхности. При обдуве воздушным потоком такой ротор начинает вращаться. Чтобы лопатки получились одинаковыми и аккуратными, в качестве рабочего инструмента для прорезания стенки бутылки-ротора желательно использовать электровыжигатель или самодельный электротерморезак.
1 - режущая часть (нихром, проволока d0,5); 2 - фарфоровая колодка (от лампового патрона); 3 - ручка (от напильника); 4 - соединительный двухпроводным шнур
Рулевое устройство:
1 -ось-румпель (сталь, проволока d4); 2- платформа мостика; 3 - гайки М4; 4 - рулевое перо (фанера s6); 5 - шайбы
Последний несложно собрать из деревянной ручки от напильника, фарфоровой колодки от патрона лампы накаливания и нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм. Питается инструмент от ЛАТРа. Напряжение должно обеспечивать такой нагрев нихромовой проволоки, чтобы пластик лишь плавился, но ни в коем случае не горел.
Размечать контуры лопаток на поверхности желательно тонким фломастером-маркером по шаблону - жестяной пластине с прорезанным в ней окном по размерам лопатки. Перед вырезкой имеет смысл проплавить в окне пару отверстий, а затем уже делать прорези по контуру лопатки. Следует учесть, что работать терморезаком надо в хорошо проветриваемом помещении - лучше всего у открытого окна. На подготовленном таким образом роторе лопатки отгибаются приблизительно на 35°.
Шарнирные узлы роторов должны обеспечивать их предельно легкое вращение - буквально, от малейшего ветерка. Сделать это можно только с помощью шарикоподшипников. Для двухлитровых бутылок вполне подойдут подшипники с диаметрами 18 (внешним) и 6 (внутренним) мм и шириной 6 мм.
Для крепления подшипников в горлышке бутылки нужен корпус из дюралюминия; в горлышке он фиксируется штатной бутылочной пробкой с отверстием диаметром 8 мм. Ступенчатый валик, на котором вращаются подшипники и, соответственно, ротор, - стальной, на платформе мостика он крепится гайкой М6. Чтобы обеспечить легкость вращения ротора, перед установкой подшипников в корпус из них следует удалить консистентную смазку (промыть подшипники в керосине) и нанести машинное масло, предназначенное для швейных машин.
На ходовых испытаниях у правильно отрегулированного катамарана роторный движитель легко раскручивается, и суденышко, ориентированное боком к ветру, быстро набирает скорость, автоматически выдерживая курс относительно направления ветра. Если модель приводится или уваливается то необходимо сместить центр бокового сопротивления перестановкой киля вперед или назад.
Следует отметить, что роторный катамаран может ходить не только курсом галфвинд, когда ветер дует точно в борт, но и более полными или более острыми курсами. Хотя, конечно, катамаран с классическим парусом способен идти несколько круче к ветру.
Турбопарус – это судовой движитель роторного типа, который создает тягу из энергии ветра благодаря физическому явлению, известному как эффект Магнуса.
Турбопарус действует на основе физического процесса, возникающего при обтекании вращающегося цилиндрического или круглого тела потоком жидкости или газа и известного как эффект Магнуса. Явление получило свое название от фамилии прусского ученого Генриха Магнуса, описавшего его в 1853 году.
Представим себе шар или цилиндр, которые вращаются в омывающем их потоке газа или жидкости. При этом цилиндрическое тело должно вращаться вдоль своей продольной оси. Во время этого процесса возникает сила, вектор которой перпендикулярен направлению потока. Отчего это происходит? На той стороне тела, где направление вращения и вектор движения потока совпадают, скорость воздушной или жидкой среды повышается, а давление, в соответствии с законом Бернулли, понижается. На противоположной стороне тела, где векторы вращения и потока разнонаправлены, скорость движения среды уменьшается, как бы тормозится, а давление нарастает. Возникающая на противоположных сторонах вращающегося тела разность давлений и порождает поперечную силу. В аэродинамике она известна как подъемная сила, удерживающая в полете аппараты тяжелее воздуха. В случае же с роторными парусами, это сила с вектором, перпендикулярным направлению воздействия ветра на установленный вертикально на палубе и вращающийся вдоль продольной оси ротор-парус.
Вращающиеся паруса Флеттнера
Описанное физическое явление использовал немецкий инженер Антон Флеттнер при создании нового типа судового двигателя. Его роторный парус имел вид вращающихся цилиндрических ветросиловых башен. В 1922 г. изобретатель получил патент на свое устройство, и в 1924 г. первый в истории роторный корабль – переоборудованная шхуна «Букау» сошел со стапелей.
Турбопаруса «Букау» приводились в движение от электродвигателей. С той стороны, где поверхность ротора вращалась навстречу ветру, в соответствии с эффектом Магнуса, создавалась область повышенного давления, а с противоположной стороны - пониженного. В результате возникала тяга, которая и двигала судно при условии наличия бокового ветра. Сверху на роторы-цилиндры Флеттнер поставил плоские тарелки для лучшей ориентации потоков воздуха вокруг цилиндра. Это позволило в два раза увеличить движущую силу. Вращающийся полый металлический цилиндр-ротор, использующий эффект Магнуса для создания боковой тяги, впоследствии был назван в честь своего создателя.
На испытаниях турбопаруса Флеттнера показали себя превосходно. В отличие от обычного парусника, сильный боковой ветер только улучшал ходовые качества экспериментального судна. Два цилиндрических ротора позволяли лучше сбалансировать судно. При этом, изменив направление вращения роторов, можно было изменить движение судна вперед или назад. Разумеется, самым выгодным направлением ветра для создания тяги являлось строго перпендикулярное к продольной оси судна.
Турбопарус от Кусто
Парусники строились в XX столетии, строятся и в XXI. Современные паруса изготавливаются из более легких и прочных синтетических материалов, а парусное вооружение быстро сворачивают электромоторы, освобождая человека от физической работы.
Однако идея принципиально новой системы, использующей для создания тяги судна энергию ветра, витала в воздухе. Ее подхватил французский исследователь и изобретатель Жак-Ив Кусто. Ему как океанографу очень импонировало использование в качестве тяги ветра - бесплатного, возобновляемого и абсолютно экологически чистого источника энергии. В начале 1980-х он приступил к работе над созданием таких движителей для современного судна. За основу он взял турбопаруса Флеттнера, но значительно модернизировал систему, усложнив, но, в тоже время, повысив ее эффективность.
Чем же отличается турбопарус Кусто от движителей Флеттнера? Конструкция Кусто представляет собой вертикально установленную полую металлическую трубу, имеющую аэродинамический профиль и действующую по тому же принципу, что крыло самолёта. В поперечном сечении труба имеет каплевидную или яйцеобразную форму. По бокам ее расположены воздухозаборные решетки, через которые посредством системы насосов нагнетается воздух. А дальше в игру вступает эффект Магнуса. Завихрения воздуха создают внутри и снаружи паруса разницу давлений. У одной стороны трубы создается разрежение, у другой – уплотнение. В результате возникает поперечная сила, которая и заставляет судно двигаться. По сути турбопарус - это установленное вертикально аэродинамическое крыло: с одной его стороны воздух протекает медленнее, чем с другой, создавая разность давлений и поперечную тягу. По аналогичному принципу создается подъемная сила на самолете. Турбопарус снабжен автоматическими датчиками и смонтирован на поворотной платформе, которая управляется компьютером. Умная машина располагает ротор с учетом ветра и задает давление воздуха в системе.
Впервые Кусто испытал прототип своего турбопаруса в 1981 году на катамаране «Moulin à Vent» в ходе плавания через Атлантический океан. Во время путешествия катамаран для безопасности сопровождал более крупный корабль экспедиции. Экспериментальный турбопарус давал тягу, но меньше, чем традиционные паруса и моторы. Кроме того, к концу путешествия сварочные швы вследствие усталости металла лопнули под напором ветра, и конструкция упала в воду. Тем не менее, сама идея подтвердилась, и Кусто с коллегами сосредоточились на разработке более крупного роторного судна – «Алсион». Оно было спущено на воду в 1985 г. Турбопаруса на ней являются дополнением к агрегации из двух дизелей и нескольких винтов и позволяют на треть экономить расход горючего. Даже спустя 20 лет после смерти своего создателя, «Алсион» все еще на ходу и остается флагманом флотилии Кусто.
Турбопарус против крыльев из парусины
Даже в сравнении с лучшими современными парусами, турбопарус-ротор обеспечивает в 4 раза больший коэффициент тяги. В отличие от парусника, сильный боковой ветер не только не страшен роторному судну, но наиболее выгоден для его хода. Оно неплохо двигается даже при встречном ветре под углом 250. Вместе с тем, судно на традиционных парусах больше всего «любит» попутный ветер.
Выводы и перспективы
Сейчас точные аналоги парусов Флеттнера установлены в качестве вспомогательных движителей на немецком грузовом судне «E-Ship-1». А также их усовершенствованная модель используется на яхте «Алсион», принадлежащей фонду Жака-Ива Кусто.
Таким образом, в настоящее время существует два типа движителей системы Турбопарус. Обычный роторный парус, изобретенный Флеттнером в начале XX в., и его модернизированная версия от Жака-Ива Кусто. В первой модели результирующая сила возникает снаружи вращающихся цилиндров; во втором более сложном варианте электронасосы создают разницу давления воздуха внутри полой трубы.
Первый турбопарус способен давать ход судну лишь при боковом ветре. Именно по этой причине турбопаруса Флеттнера не получили распространения в мировом судостроении. Конструктивная особенность турбопаруса от Кусто позволяет получить движущую силу независимо от направления ветра. Оборудованное такими движителями судно может плыть даже против ветра, что является неоспоримым преимуществом как над обычными парусами, так и над роторными. Но, даже несмотря на эти достоинства, система Кусто также не введена в производство.
Нельзя сказать, что в наши дни не предпринимаются попытки воплотить в жизнь идею Флеттнера. Имеется ряд любительских проектов. В 2010 году было построено третье в истории после «Букау» и «Алсион» судно с роторными парусами – 130-метровый немецкий грузовик класса Ro-Lo. Двигательная система судна представлена двумя парами вращающихся роторов и сцепкой из дизелей на случай штиля и для создания дополнительной тяги. Роторные паруса играют роль вспомогательных двигателей: для судна водоизмещением 10,5 тысяч тонн четырех ветросиловых башен на палубе недостаточно. Тем не менее, эти устройства позволяют сэкономить до 40% топлива на каждом рейсе.
А вот система Кусто несправедливо предана забвению, хотя экономическая целесообразность проекта была доказана. На сегодняшний день «Алсион» - единственный полноценный корабль с таким типом движителя. Представляется неясным, почему система не используется в коммерческих целях, в частности на грузовых судах, ведь она позволяет экономить до 30% дизельного горючего, т.е. деньги.
Знаменитый документальный сериал «Подводная одиссея команды Кусто» великий французский океанограф снимал в 1960–1970-х годах. Основным кораблем Кусто был тогда переделанный из британского минного тральщика «Калипсо». Но в одном из последующих фильмов – «Повторное открытие мира» – появилось другое судно, яхта «Алкиона».
Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные трубы установлены на яхте?.. Может быть это трубы котлов или двигательных установок? Каково же может быть ваше изумление, если вы узнаете, что это ПАРУСА … турбопаруса …
Яхту «Алкиона» фонд Кусто приобрел в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов — оригинального судового движителя. А когда спустя 11 лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).
Собственно, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, подводное блюдце и множество других приспособлений для исследования морских глубин и поверхности Мирового океана. Идея родилась еще в начале 1980-х и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?
Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственными и зависимыми от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое - к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьезный вклад и в кораблестроение.
Турбопарус представляет собой полый цилиндр, снабженный специальным насосом. Насос создает разряжение с одной стороны турбопаруса, закачивая воздух внутрь паруса, наружный воздух начинает течь вокруг турбопаруса с разной скоростью и корабль начинает двигаться в перпендикулярном давлению воздуха направлении. Это очень напоминает подъемную силу действующую на крыло самолета — снизу крыла давление больше и самолет выталкивает вверх. Турбопарус позволяет двигаться кораблю против любого ветра, лишь бы хватило мощности насоса. Применяется как вспомогательная система для обычного судового двигателя. Два турбопаруса установленные на корабле команды Кусто «Алкион» позволяли экономить до 50% горючего.
Ротор Флеттнера и эффект Магнуса
16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.
Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а с противоположной — падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.
«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», – писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.
Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус.
Эффект Магнуса
Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. Ему довелось долго странствовать на паруснике по Атлантическому и Индийскому океанам. На мачтах парусных судов той эпохи ставилось много парусов. Парусное оснащение было дорогостоящим, сложным, а в аэродинамическом отношении не слишком эффективным. Постоянные опасности подстерегали моряков, которым даже во время шторма надо было заниматься парусами на 40–50-метровой высоте.
Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса, требующие больших усилий более простым, но эффективным устройством, основным движителем которого также служил бы ветер. Раздумывая над этим, он вспомнил аэродинамические опыты, проводимые его соотечественником физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870). Ими было установлено, что при вращении цилиндра в потоке воздуха возникает поперечная сила с направлением, зависящим от направления вращения цилиндра (эффект Магнуса).
Один из его классических опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр мог вращаться между двумя остриями; быстрое вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром. Вращающийся цилиндр помещался в раме, которая, в свою очередь, легко могла поворачиваться. На эту систему пускалась сильная струя воздуха при помощи маленького центробежного насоса. Цилиндр отклонялся в направлении, перпендикулярном к воздушной струе и к оси цилиндра, притом в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).
А.Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами.
Оказывается, что там, где поверхность цилиндра движется против потока воздуха, скорость ветра уменьшается, а давление – увеличивается. С другой стороны цилиндра все наоборот – скорость воздушного потока возрастает, а давление – падает. Эта разница в давлениях с разных сторон цилиндра и является движущей силой, которая заставляет судно двигаться. Таков основной принцип действия роторного оборудования, которое использует силу ветра для движения судна. Все очень просто, однако только А.Флеттнер «не прошел мимо», хотя эффект Магнуса был известен уже более полувека.
К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 см, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла.
Капитаны парусных судов насмехались над цилиндрами А.Флеттнера, которыми он хотел заменить паруса. Изобретателю удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. В 1924 году на 54-метровой шхуне «Buckau» вместо трех мачт были смонтированы два роторных цилиндра. Эти цилиндры вращал дизельный генератор мощностью 45 л.с.
Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной — пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила примерно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!
Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счет правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.
Турбопарусник Кусто - На 2011 год «Алкиона» является единственным в мире судном с турбопарусом системы Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 году поставила крест на постройке второго подобного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции…
Ротор Флеттнера показал себя прекрасно. В отличие от обычного парусного судна, роторный корабль практически не боялся непогоды и сильных боковых ветров, легко мог идти переменными галсами под углом 25º к встречному ветру (для обычного паруса предел около 45º). Два цилиндрических ротора (высота 13,1 м, диаметр 1,5 м) позволили отлично сбалансировать судно — оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки. Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.
В середине февраля 1925 г. шхуна «Buckau», вместо парусов снабженная роторами Флеттнера, вышла из Данцига (ныне – Гданьск) в Шотландию. Погода была плохой, а большинство парусников не осмеливались выходить из портов. В Северном море «Buckau» пришлось серьезно сразиться с сильными ветрами и большими волнами, однако шхуна накренялась на борт меньше, чем другие встреченные парусники.
Во время этого плавания не требовалось вызывать на палубу членов команды, чтобы они меняли паруса в зависимости от силы или направления ветра. Хватило одного вахтенного штурмана, который, не выходя из рубки, мог управлять деятельностью роторов. Раньше команда трехмачтовой шхуны состояла как минимум из 20 матросов, после ее переделки в роторный корабль хватило 10 человек.
В том же году на верфи был заложен второй роторный корабль — могучий грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. При этом для каждого ротора хватало одного маленького моторчика мощностью всего 35 л.с. (при максимальной скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с обычным корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Впрочем, дизель на судне тоже наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в движение винт (который оставался единственным движителем в случае безветренной погоды).
Многообещающие опыты побудили судоходную компанию «Rob.M.Sloman» из Гамбурга в 1926 году построить судно «Барбара». На нем заранее намечалось оборудовать турбопаруса – роторы Флеттнера. На судне длиной 90 м и шириной 13 м были смонтированы три ротора высотой около 17 м.
«Барбара», как и планировалось, в течение некоторого времени успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.
Планировалось испытать роторное судно в более длительных рейсах в Атлантическом океане.
Но в конце 1920-х грянула Великая депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определенных ограничений по мощности и быстроходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден-Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…
Начало роторных судов, казалось бы, было достаточно успешным, но они не получили развития и надолго были забыты. Почему? Во-первых, «отец» роторных судов А.Флеттнер погрузился в создание вертолетов и перестал интересоваться морским транспортом. Во-вторых, несмотря на все свои преимущества, роторные суда так и остались парусниками с присущими им недостатками, основной из которых – зависимость от ветра.
Роторами Флеттнера снова заинтересовались в 80-х годах ХХ в., когда ученые начали предлагать различные меры по смягчению потепления климата, снижению загрязнения, более рациональному расходованию топлива. Одним из первых о них вспомнил исследователь глубин француз Жак-Ив Кусто (1910–1997). Для испытания работы системы турбопарусов и снижения расхода дорожающего топлива двухмачтовый катамаран «Alcyone» (Алкиона – дочь бога ветров Эола) был переделан в роторное судно. Выйдя в морское плавание в 1985 году, он побывал в Канаде и Америке, обогнул мыс Горн, обошел Австралию и Индонезию, Мадагаскар и Южную Африку. Был перенесен в Каспийское море, где проплавал три месяца, занимаясь различными исследованиями. «Alcyone» до сих пор использует два разных движителя – два дизельных двигателя и два турбопаруса.
Турбопарус Кусто
Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе еще со времен Флеттнера. И ее подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.
23 декабря 1986 года, уже после того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шарье получили совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скругленной с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперед или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый в движение электромотором.
Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса, одновременно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат — поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус — это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздух может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к примеру, воздушным насосом - таким образом Кусто прикрыл калитку для последующих «изобретателей».
Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin à Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более крупного корабля экспедиции.
А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» — первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и
нескольких винтов (что, кстати, позволяет сократить расход горючего примерно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил еще несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал.
Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным, зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.
И снова Флеттнер
Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm + Voss после нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к 1986-му экономические факторы прикрыли этот проект. Потом был целый ряд любительских конструкций.
В 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).
В 2010 году появился третий в истории корабль с роторными парусами - тяжелый грузовик E-Ship 1, который был построен по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в свой первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов. Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Все-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями: для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, использующей энергию отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
А вот турбопарус Кусто пока остается в некотором забвении: «Алкиона» на сегодняшний день — единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное — найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.
В Северном море в 2010 году можно было увидеть странное судно «E-Ship 1». На его верхней палубе возвышаются четыре высоких округлых трубы, однако из них никогда не клубится дым. Это – так называемые роторы Флеттнера, пришедшие на смену традиционным парусам.
Крупнейший в мире производитель ветряных силовых установок «Enercon» 2 августа 2010 спустил на воду на судоверфи Линденау в Киле 130-метровое роторное судно шириной 22 м, которое позднее было названо «E-Ship 1». Потом оно успешно было испытано в Северном и Средиземном морях, и в настоящее время перевозит ветряные генераторы из Германии, где их производят, в другие страны Европы. Оно развивает скорость в 17 узлов (32 км/час), одновременно перевозит более 9 тыс. тонн груза, его экипаж – 15 человек.
Расположенная в Сингапуре судопромышленная компания «Wind Again», занимающаяся созданием технологий по снижению расхода топлива и выбросов, предлагает устанавливать на танкерах и грузовых судах роторы Флеттнера особой конструкции (складные). Они позволят сократить расход топлива на 30–40 % и окупятся за 3–5 лет.
Действующая в Финляндии компания морской инженерии «Wartsila» уже планирует приспособить турбопаруса и на круизных паромах. Это связано со стремлением финского паромного оператора «Viking Line» сокращать расход топлива и загрязнение окружающей среды.
Использование роторов Флеттнера на прогулочных судах изучает университет Фленсбурга (Германия). Похоже, растущие цены на нефть и вызывающее тревогу потепление климата создают благоприятные условия для возвращения ветряных движителей.
Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт-Пирс, Флорида, США, а ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.
