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
Кандидат военно-морских наук В. ДЫГАЛО, профессор, контр-адмирал. Рисунки автора.
Российский четырехмачтовый барк "Крузенштерн" - единственный сохранившийся до наших дней представитель "летающей линии П". Построен в 1926 году в Германии и до сих пор служит учебным судном, помогая воспитывать новые поколения офицеров Российского флота.
Чемпион среди парусников - пятимачтовый гигант "Пройссен".
Самый быстрый парусник, чайный клипер "Катти Сарк".
Илл. 1. Эффект Магнуса.
Первое роторное судно "Букау".
Судно с ветродвижителем парус-крыло.
Грузовое судно "Дина-Шифф".
Танкер "Шин Эйтоку Мару".
Судно с воздушными вертикальными турбинами карусельного типа.
Ответить на вопрос, когда был изобретен парус, - так же невозможно, как невозможно назвать автора знаменитых палеолитических "венер" - примитивных женских изваяний, найденных археологами в разных местах Евразийского континента. Может быть, и то и другое - парус и "венеры" - появились в одно время, в древнекаменном веке? Об этом нам остается только гадать. Уверенно сказать можно лишь то, что 6000 лет назад парус уже существовал - египтяне использовали прямой парус, плавая по Нилу.
Развитие паруса шло параллельно с развитием человечества и достигло пика к середине XIX столетия, когда появились знаменитые "выжиматели ветра" - чайные клипера, а к началу XX века - не менее знаменитые корабли типа "Flyins Р" ("Летучие П") гамбургской компании "Лаэш". Ее пятимачтовый корабль "Пройссен" считался в начале XX века самым большим парусным судном в мире: регистровая вместимость - 5081 т, водоизмещение - 11 000 т. Рекордом осталась 6500-метровая площадь 45 парусов (30 из них на пяти мачтах были прямыми). Как ни велика была роль первых железных судов, приводимых в движение паровой машиной, именно XIX век с полным правом может быть назван порой расцвета деревянных парусных грузовых кораблей. Конструкторы продолжали работать над улучшением качества парусных судов, стремясь увеличить их скорость, которая стала одним из основных факторов в возрастающей конкуренции торговых компаний. В состязании корабелов лидировали две страны - США и Англия.
Американцам первым удалось построить очень легкие, стройные и быстроходные суда - клипера. Но англичане не отставали, и очень скоро начались настоящие соревнования английских и американских парусников.
Среднее водоизмещение судов составляло 1000-2000 т, но некоторые из них имели водоизмещение до 3500-4000 т. Длина их в шесть раз превышала ширину. Тогда и появился известный принцип судостроения - "длина бежит". Создавая этот тип кораблей, судостроители сотворили настоящее чудо. Корпус клиперов был композитным: киль и шпангоуты - железные, обшивка - деревянная, покрываемая в подводной части медными листами для предотвращения обрастания водорослями. Благодаря этому легкость конструкции судна обеспечивалась не в ущерб его прочности.
Для снижения численности экипажа до 23-28 человек и облегчения их работы в море на этих парусниках были использованы достижения техники середины XIX века: винтовые рулевые приводы, ручные лебедки с зубчатой передачей, помпы с маховым колесом и другие механизмы. На "пенителях моря" все было подчинено достижению наибольшей скорости. Длинные и стройные, с гладким, как тело угря, корпусом клипера имели изящно изогнутые острые форштевни, которые разрезали волны, как нож. Мачты-"небоскребы" и сверхдлинные бушприты несли такое изобилие парусов, превзойти которое было уже невозможно. Наиболее быстроходными считались знаменитые чайные клипера: их скорость достигала 20 узлов (37 км/ч). Десять с лишним метров в секунду - так быстро летел (именно летел!) с волны на волну тысячетонный остроносый корабль. Торговые компании каждый год выдавали особую премию тому судну, которое первым привезет из Китая чай нового урожая, - отсюда и название. По сравнению с типами парусного вооружения прошлых столетий вместо обычных до сих пор трех или, в исключительных случаях, четырех ярусов прямых парусов полностью оснащенный клипер нес на каждой мачте до семи прямых парусов. Названия их (начиная снизу) у английских моряков звучали так: нижний парус (фок или грот), нижний марсель, верхний марсель, брамсель, верхний брамсель, "королевский" парус, "небесный" парус, "лунный" парус (или "небо-скреб"). Кроме перечисленных по бокам основных парусов при попутных ветрах на тонких круглых "деревьях", лисель- спиртах, выдвигающихся вдоль рей, ставили добавочные паруса-лисели, а между мачт - стаксели. Общая площадь всех парусов составляла 3300 м 2 и более. Когда при благоприятном ветре клипер шел под всеми парусами, со стороны казалось, что над поверхностью океана летит белое облако. За изящество, обтекаемые формы, изобилие парусов и скорость клипера получили еще одно название - "винджаммеры" ("выжиматели ветров").
Чайные гонки превратились в настоящее соперничество в скорости. Например, в 1866 году из Фучжоу (Китай) почти одновременно вышли пять клиперов с грузом чая. Это состязание в скорости было одним из самых волнующих морских плаваний через полсвета. Каждый из пяти честолюбивых капитанов мечтал прийти в Лондон первым. В гонках на карту ставилось все. Один из парусников, "Ариель", во время жестокого шторма в Атлантическом океане много часов подряд шел с большим креном. Крутые волны перекатывались через палубу клипера. Но вместо того, чтобы убрать хотя бы один парус, экипаж наглухо задраил люки и все прочие отверстия парусиной. Чтобы не быть смытыми за борт, моряки привязывались у своих рабочих мест специальными тросами. Почти полсуток продолжалась борьба со стихией. Корабль вышел из нее победителем. 6 сентября, затратив неполных 99 суток, "Ариэль" прибыл в Англию... После открытия Суэцкого канала в 1869 году рейсы парусных судов на "чайной" линии стали невыгодными. "Ариэль" занимался случайными работами, возил уголь из Англии в Японию и Австралию.
И все же на короткое время клипера опять вошли в моду. Австралия стала вырабатывать много шерсти, в которой нуждались Европа и Америка. Паровых судов, способных без дополнительной загрузки углем ходить на такие большие расстояния, не хватало, пришлось прибегнуть к услугам парусных. В октябре 1885 года из австралийского порта Сидней отправились в Англию шесть клиперов, и среди них "Катти Сарк", которую за прекрасные обводы, громадную парусность и мореходные качества называли "царицей морей". На шестьдесят седьмой день плавания "Катти Сарк" раньше всех появилась в Лондоне. Это был небывалый для парусных судов рекорд. И не только парусных, но и паровых. На обратном пути клипер нагнал быстрейший в то время пассажирский пароход "Британия". Рассказывают, что вахтенный помощник, разбудив капитана, сказал:
Сэр! Выйдите на мостик, происходит что-то необыкновенное - нас обгоняет парусник!
Капитaн улыбнулся и не тронулся с места.
Чего же идти. Ведь это "Катти Сарк", и тягаться с ней бесполезно!
Век клиперов завершился в 1924 году, когда пошел на слом один из последних красавцев - "Хасперус". И лишь "Катти Сарк" проплавала до 1949 года.
Однако с концом военного и транспортного парусного флота парусу не пришел конец. Как движитель спортивных судов и шлюпок парус играет и долго будет еще играть громадную роль в деле воспитания моряков.
Стремительному техническому прогрессу сопутствовало появление серьезных экологических проблем, наносящих порой непоправимый вред природе. Катастрофы с нефтяными танкерами и грандиозные пожары на морских промыслах подтверждают это. Помочь мировому морскому флоту стать экологически чистым должны новые идеи и решения. И новизну может нести в себе парус.
К счастью для человечества, всегда находятся люди, способные увидеть то, чего не замечают другие, и обладающие неиссякаемой пытливостью - этим неотъемлемым качеством всех изобретателей.
Таким человеком был немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961). Однажды, наблюдая во время плавания на паруснике за усилиями матросов, работавших в шторм с парусами на высоте 40-50 м, он подумал: а нельзя ли чем-нибудь заменить классический парус, используя при этом все ту же силу ветра? Размышления заставили Флеттнера вспомнить о его соотечественнике физике Генрихе Густаве Магнусе (1802-1870), который в 1852 году доказал, что возникающая поперечная сила, действующая на тело, вращающееся в обтекающем его потоке жидкости или газа, направлена в сторону, где скорость потока и вращение тела совпадают.
Наличие такого эффекта Магнус подтвердил позже на опыте с весами. На одну из их чаш клали горизонтально цилиндр с подключенным к нему моторчиком, а на другую -уравновешивавшие гири. Цилиндр обдували воздухом, но, пока не включали моторчик, он оставался неподвижным и равновесие весов не нарушалось. Однако стоило лишь запустить моторчик и тем самым заставить цилиндр вращаться, как чаша, где он находился, или поднималась, или опускалась - в зависимости от того, в каком направлении шло вращение. Этим опытом ученый установил: если на вращаемый цилиндр набегает поток воздуха, то скорости потока и вращения по одну сторону цилиндра складываются, по другую же - вычитаются. А поскольку большим скоростям соответствуют меньшие давления, на вращаемом цилиндре, помещенном в поток воздуха, возникает движущая сила, перпендикулярная потоку. Ее можно увеличивать или уменьшать, если крутить цилиндр быстрее или медленнее. Именно опыты Магнуса и навели Флеттнера на мысль заменить парус на судне вращающимся цилиндром. Но сразу же возникли сомнения. Ведь на большом судне такие роторы будут выглядеть огромными башнями высотой 20-25 м, которые в шторм создадут колоссальную опасность для судна. На эти вопросы требовалось ответить, и Флеттнер начал свои исследования.
В последних числах июня 1923 года он производил на озере Ванзее, вблизи Берлина, первые опыты с моделью. Это была шлюпка длиной менее метра с бумажным цилиндром диаметром около 15 см и высотой около 1 м. Для его вращения использовался часовой механизм. Опыты прошли успешно, однако осталось немало вопросов, и в том числе о силах, возникающих на роторе во время вращения.
Все дальнейшие исследования и связанные с ними измерения проводились в лаборатории. Их результаты сводились к следующему.
Если на поверхность вращающегося ротора воздействует ветер, скорость последнего изменяется. Там, где поверхность движется навстречу ветру, его скорость уменьшается, а давление увеличивается. С противоположной же стороны ротора скорость воздушного потока, наоборот, увеличивается, а давление падает. Полученная разность давлений и создает движущую силу, которую можно использовать для перемещения судна.
Но самым удивительным в исследованиях Флеттнера было другое. Оказалось, что возникающая движущая сила была во много раз больше, чем давление ветра на неподвижный ротор. Расчеты показали: используемая энергия ветра примерно в 50 раз превышала ту, что затрачивалась на вращение ротора, и зависела от частоты его вращения и скорости ветра. Выяснилось также и еще одно важное обстоятельство - возможность плавания роторного судна против ветра переменными курсами (галсами), близкими к линии ветра. Другими словами, для такого судна оставались действительными те естественные законы плавания, которыми пользовались обычные парусники. Но при этом его перспективы оценивались просто блестяще, поскольку площадь ротора по отношению к площади парусов обычного парусника, сравнимого по водоизмещению с роторным судном, составляла лишь 0,1-0,15 процента, а его (ротора) масса была примерно в 5 раз меньше, чем суммарная масса парусного вооружения.
Естественно, что одна часть усилий, полученных за счет вращения цилиндра, затрачивается на создание дрейфа (смещения идущего корабля с линии курса), а другая - на движение судна вперед.
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 диаметр 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 году на ней вместо трех мачт поставили два ротора-цилиндра высотой 13,1 м и диаметром 1,5 м. Их приводили в движение два электромотора постоянного тока напряжением 220 В. Электроэнергию вырабатывал небольшой дизель-генератор мощностью 33 кВт (45 л.с.).
Испытания начались на Балтике и закончились удачно. В феврале 1925 года 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 "Букау" нагрузили углем по ватерлинию, и она еще раз показала свои преимущества перед другими парусниками. Волны перекатыва лись через палубу и разбили спасательную 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 обычные паруса, быстро входил в рабочий режим, и поэтому испытания решили продолжить. В 1924 году 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 со стенками толщиной несколько больше миллиметра. Для каждого ротора предназначался один мотор мощностью 26 кВт (35 л.с.), 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.с.). 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).
Являясь, по существу, парусниками, роторные 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 (против ветра) эти суда шли до 30 градусов, тогда как у большинства обычных парусников угол между направлением 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 конструкторы вновь и вновь возвращались к идее использования энергии ветра. В середине 60-х годов ХХ века 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 ветра от 3-4 до 12-14 м/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 продолжаются.
Во втором же случае сила тяги, влекущая судно, возникает непосредственно на ветродвижителе, 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. Появились немнущийся лавсан и термоустойчивый нитрон, материалы из пластмасс и синтетических волокон, отличающиеся повышенной прочностью и легкостью. Именно они используются для современных судов с парусным движителем.
Первые полномасштабные исследования ветродвижителей были проведены в 1960-1967 годах в гамбургском Институте кораблестроения, где разрабатывался проект грузового судна дейдветом 17 000 т. Результаты последующей упорной работы, включая продувку более 50 моделей в аэродинамической трубе и испытания в опытном бассейне, позволили построить в 1982 году судно "Дина-Шифф", которое долгое время не имело аналогов в мире. Оно представляет собой парусник, принимающий 16 500 т груза и отличающийся внушительными габаритами: длина - 160,5 м, ширина - 21 м. Высота борта - 13 м, осадка - 9,1 м. Каждая из шести поворотных мачт несет пять прямых парусов, которые растягивались на профилированных реях без промежутков и в целом составляли один эффективный (высокий и узкий) гигантский парус площадью 1200 м 2 (общая площадь всех парусов достигла 7200 м 2). Управляет электромотора ми, поднимающими или убирающими любой из 30 парусов, вахтенный офицер из рубки, где установлен компьютер. Кроме парусов на "Дине-Шифф" установили три дизеля по 330 кВт (448 л.с.). Судно развивало среднюю скорость 12 узлов, а при благоприятном ветре - до 16.
Дальнейшее совершенствование проекта "Дина-Шифф" продолжило научно-исследовательское общество Фридриха Вейса из германского города Аренсбурга. Оно создало эффектный парусный сухогруз с автоматической уборкой парусов, каждый из которых наматывался на вал, расположенный в профилированной рее. Длина сухогруза составляет 65 м; он может взять на борт 1000 т груза. Каждая из трех поворотных мачт несет по пять прямых парусов; дополнительно, на случай штилевой погоды, на судне установили вспомогательный дизель мощностью 350 кВт (476 л.с.). Используя только парусный движитель, такие суда могут развивать скорость 12-14 узлов, а при сильном попутном ветре - до 20 (37 км/ч). Это соответствует скорости современного контейнеровоза.
"Дина-Шифф" и сухогруз из Аренсбурга не одиноки на нынешних морских дорогах - начиная с июня 1990 года им составил компанию флагман организации "Гринпис" "Рейнбоу-Урриор", переоборудованный в Гамбурге на манер "Дины-Шифф". При силе ветра в 5 баллов судно развивает скорость более 12 узлов (22 км/ч).
Учитывая хорошие ходовые качества названных судов, сейчас проектируются сухогрузы-парусники грузоподъемностью от 900 до 2000 т. Правда, немецкие ученые считают, что для Европы они вряд ли будут рентабельными из-за непостоянства дующих близ ее берегов ветров, и предлагают оснащать обычные сухогрузы и контейнеровозы дополнительным парусным вооружением, что приведет к экономии 10-25 процентов топлива.
Особенно серьезно к разработке ветродвижителей и ветродвигателей относятся в тех странах, где природные запасы нефти ограничены или вообще отсутствуют. Так, в Японии только за период 1980-1986 годов вошли в строй 10 судов, имеющих кроме механического и ветровой движитель. Типичный их представитель - прибрежный танкер "Шин Эйтоку Мару" водоизмещением 1600 т, спущенный на воду в июле 1980 года компанией "Имамура Шипбилдинг". Основные его размеры: длина - 66, ширина - 10,6, осадка - 4,4 м. Оснащен двумя парусами площадью по 97 м 2 каждый и двигателем мощностью 1177 кВт (1600 л.с.). Средняя скорость танкера - 12 узлов (22 км/ч). Время, которое он проходит под парусами за год, составляет 15 процентов от общего.
Высшим достижением в строительстве судов по схеме "механический двигатель плюс ветровой движитель" стало японское судно "Усики Пионер". При водоизмещении 26 тыс. т оно имеет длину 162,4, ширину 25,2 и осадку 10,6 м, два главных двигателя мощностью по 2427 кВт (3300 л.с.) и два паруса по 320 м 2 каждый. При комбинированном использовании парусов и одного из двигателей судно может идти со средней скоростью 13,5 узла (25 км/ч). Управление ветровым движителем осуществляется по командам ЭВМ.
Японские инженеры также разработали проект парусника, способного перевозить 17 тыс. т груза и 250 пассажиров. Все работы, связанные с постановкой и уборкой парусов, будут полностью механизированы. Это позволит одному человеку с помощью ЭВМ за 20 секунд справиться с 1500 м 2 парусов, размещенных на шести мачтах. Максимальная скорость судна - около 20 узлов (37 км/ч). Оно способно "ловить" малейший ветерок. На случай полного безветрия предусмотрена установка двигателей.
Многоцелевые и довольно дорогие испытания вариантов парусного вооружения были проведены в 1985 году польскими учеными и конструкторами. На 50-метровом опытном судне "Океания" водоизмещением 550 т установили три мачты из прочного и легкого сплава с прямыми парусами общей площадью 700 м 2 . Их ставили и убирали с помощью гидравлических приводов и с использованием специальных снастей из сверхпрочного синтетического материала - кевлара. При усилении ветра площадь парусов уменьшалась, а при ветре более 25 м/с они складывались в виде коробов вокруг мачты.
Этот опыт позволил корабелам Гданьской верфи построить в 1986 году круизное судно "Гварек", парусное вооружение которого было почти аналогично установленному на "Океании". "Гварек" стал собственностью "Бюро путешествий" как плавучий дом отдыха, пассажиры которого размещаются в 100 двухместных комфортабельных каютах. Все управление судном ведется с мостика при помощи компьютера и гидросистем.
Новые паруса потребовали и более современного крепления и уборки. Разработано несколько конструкций мачт, и в каждой есть свои "изюминки". Так, одни мачты установлены на поворачивающихся платформах, а паруса выдвигаются из рей и втягиваются внутрь их, словно полотно киноэкрана. А польский изобретатель А. Боровский из Щецина еще в 1977 году получил патент на мачту, которая состоит из множества металлических трубок, связанных в одно целое тонкой внешней оболочкой из сверхпрочного синтетического материала. Такая конструкция легче обычной и не уступает ей в прочности.
Паруса новых видов разработаны и для спортивных судов. В частности, уже нашел применение новый движитель - парус-крыло. Он выполнен в виде жесткого паруса, аналогичного по конструкции крылу планера или самолета, но имеющего симметричный профиль поперечного сечения. Его ставят на буерах и парусных катамаранах, развивающих высокие скорости, при которых он работает на малых углах атаки. Еще эффективнее парус-крыло, имеющий выпукло-вогнутый профиль, изменяющийся в зависимости от угла атаки и от галса, которым идет судно или буер. Например, в конструкции, примененной на катамаране "Пэшиент-Леди У" (США), парус-крыло состоит из шести частей, устанавливаемых автоматически с помощью компьютера под определенными углами к ветру. Он изготовлен из фанеры, стеклопластика, пенопласта и синтетической ткани, его масса при площади 28 м 2 составляет лишь 46 кг.
Конструкторов, занимающихся ветровыми движителями и двигателями, больше всего привлекают те проекты, которые позволяют увеличить скорость судов до 20 узлов, то есть достичь скорости чайных клиперов. Делаются попытки возродить парусный флот на современной основе, используя принцип движения на воздушной подушке и на подводных крыльях.
Есть положительные сдвиги и в разработке новых типов ветродвигателей. Так, немецкие инженеры предложили двигатель "карусельного типа", в котором на двух вертикальных осях расположены шесть плоскостей из полиэстра, повернутых друг к другу под углом 60 градусов. Ветер, воздействуя на такие воздушные турбины, заставляет их вращаться - тем самым его кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала судового винта.
Сегодня существует достаточно много различных проектов ветродвижителей и ветродвигателей, как реализованных, так и находящихся на стадии разработок. Есть из чего выбирать, однако специалисты пришли к выводу, что наиболее целесообразным вариантом является установка на морских и речных судах ветродвижителя как дополнения к основному механическому двигателю. Это даст 25-30 процентов экономии топлива и обеспечит судам вполне приемлемую скорость в 16 узлов, а кроме того, позволит вместо мощной энергетической установки применять сравнительно небольшую. И еще одно обязательное условие: использование всех новых видов парусных движителей требует широкого внедрения компьютеров. Только быстродействующая вычислительная техника может учесть все параметры, влияющие на движение корабля, и этим повысить безопасность его плавания.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Как видно из рисунка, на вращающийся цилиндр начинает действовать поперечная направлению воздушного потока сила. Таким образом, очевидно, что самый выгодный курс для роторного судна - когда ветер дует строго в борт. А направление движения зависит лишь от того, по или против часовой стрелки вращается ротор.
Илл. 2. Бейдевинд называют полным, если этот угол больше 66 о, и крутым - если меньше. Движение вперед обеспечивает та составляющая ветрового давления (а), которая совпадает с курсом парусника, тогда как действие боковой составляющей (б) нейтрализуется корабельным килем.
Хочется рассказать читателям журнала о катамаране, движение которого осуществлялось с помощью эффекта Магнуса. Эффект Магнуса заключается в том, что при обтекании потоком воздуха вращающегося тела образуется сила, перпендикулярная направлению потока. При вращении цилиндра, например, близкие к его стенкам слои воздуха также начинают перемещаться по кругу, благодаря чему на одной стороне вращающегося тела происходит увеличение скорости обтекающего цилиндр потока, а на другой стороне - уменьшение. В результате у поверхности цилиндра образуются зоны повышенного и пониженного давления, что и приводит к образованию силы, которая может быть использована для движения судов. Это та самая сила, что изменяет направление полета «резаных» мячей в теннисе и футболе.
Для того чтобы уменьшить перетекание воздуха из зоны высокого в зону низкого давления, на торцах цилиндра устанавливаются диски большего диаметра.
Опыты показали, что максимально эффект Магнуса проявляется в том случае, когда линейная скорость вращающейся поверхности цилиндра примерно в четыре раза больше скорости ветра. При этом тяга ротора получается в десять раз больше тяги паруса равней площади.
В двадцатые годы подобными роторами были оборудованы два крупнотоннажных судна. Оки совершали даже трансатлантические рейсы, ко в дальнейшем не строились, в значительной степени из-за громоздкости массивных металлических роторов, которые могли послужить причиной опрокидывания судна при сильном ветре.
…Как-то, отдыхая ка Красноярском водохранилище, я с помощью друзей, Н. Бескровного и В. Брина, построил катамаран со складывающимся мягким ротором. В нашем распоряжении было всего три недели, поэтому пришлось сделать менее эффективный ротор Савониуса, для которого не требуется двигатель.
Ротор Савониуса состоит из двух полуцилиндрических поверхностей, сдвинутых относительно друг друга на длину радиуса.
Под действием ветра ротор вращается, причем его линейная скорость не превышает 1,7 скорости ветра. В силу этого эффект Магнуса на роторе Савониуса проявляется в 2 - 3 раза слабее, чем у принудительно вращаемых роторов.
Ротор (см. рис.) состоит из двух каркасов - дисков и полуцилиндров, сваренных из прутка Ø 10 мм. Прутки, образующие каркас полуцилиндров, соединены между собой полотнищами из плотной ткани. Концы каркаса обоих дисков стянуты веревкой. Образовавшиеся вверху и внизу шестиугольники обшиты полотном. Осью ротора также служит веревка, что позволяет складывать парус.
К каждому из полотнищ пришиты по две тканевые полосы, под которыми пропускаются резиновые медицинские бинты шириной 6 см и длиной 80 см; концы их привязаны к пруткам. К полотнищам прикреплен каркас жесткости, изготовленный из стального прутка Ø 4 мм.
Гибкая ось и веревки, обеспечивающие натяжение ротора, привязаны к крепежным скобам, соединенным с опорными подшипниками. Мы использовали обычные шариковые подшипники качения; они вполне себя оправдали - ротор вращался при малейшем дуновении ветра.
1, 2 - верх полукаркаса, 3 - рамка диска ротора, 4 - полотнище ротора, 5 - полотнище диска, 6 - веревочная ось ротора, 7 - тканевые полосы, 8 - мягкий каркас (медицинский резиновый бинт), 9 - жесткий полукаркас, 10 - веревочные растяжки, 11 - П-образная мачта-опора, 12 - поперечная балка катамарана, 13 - нижний натяжной трос, 14 - скоба балки, 15 - рычаг натяжного троса, 16 - подвеска ротора, 17 - скоба подвески, 18 - корпус подшипника, 19 - подшипник, 20 - крюк подвески, 21 - блок. Руль условно не показан.
Поплавки катамарана представляют собой брезентовые чехлы. В каждом находится по три баллона из прорезиненной ткани (могут быть использованы и камеры мячей). Мы привязывали поплавки к каркасу, сколоченному из плавника (его много ка берегах Красноярского водохранилища]. Постройка корпуса катамарана подробно не вписывается, так как в альманахе «Катера и яхты» не раз рассказывалось о надувных катамаранах лучшей конструкции, чем наша.
Ротор устанавливается следующим образом. Сначала он, стянутый резиновыми бинтами, с помощью веревки, пропущенной через блоки П-образной опоры, поднимается наверх. Затем натягивается вручную веревкой, пропущенной через кольцо, укрепленное в балке катамарана. Последние 15 - 20 см веревки приходится вытягивать рычагом.
Испытывали катамаран в течение 10 дней при очень слабых ветрах. Мы считали ветер сильным, если нитка длиной 30 см отклонялась на 30-40°.
При таком ветре катамаран дрейфовал и не мог ходить под углом острее 100-110° по отношению к ветру. Для смены галса необходимо было переворачивать ротор, на что у нас уходило 5-6 мин.
Замеров скорости не делали, но следующим летом тот же катамаран ходил с обычным парусом в 6 м2 примерно так же, как и с ротором, однако с парусом он лавировал лучше.
Мы не рекомендуем наш катамаран в качестве образца точного копирования, так как ряд узлов конструкции оказался неудачным. Например, кромки торцевых дисков следовало сделать из прутка или из пластмассовых трубок. Наш опыт свидетельствует лишь о возможности постройки любителями судна с весьма оригинальным и, на наш взгляд, перспективным способом создания тяги.
Читатели, заинтересовавшиеся роторными судами, наверняка смогут построить более удачные конструкции. Нам представляется наиболее интересной постройка катамарана со складывающимся цилиндром, который вращался бы легким двигателем внутреннего сгорания. Цилиндр может быть выполнен в виде надувного баллона или же иметь растягивающуюся конструкцию, как у сделанного нами ротора.
Опробованные любителями конструкции, возможно, найдут применение и в народном хозяйстве.
По нашему мнению, установленные с помощью грузовых стрел надувные или же растягивающиеся роторы с электромоторами могут быть использованы в качестве вспомогательных двигателей и на грузовых судах.
Расчеты экономистов показывают, что в настоящее время суда, использующие для движения ветер, - ветроходы - не могут составить конкуренцию судам, имеющим обычный механический двигатель. Среди многих причин, по которым грузовые ветроходы на нынешний момент признаются непригодными к широкому использованию, хотелось бы задержаться на двух, с нашей точки зрения, наиболее серьезных. Обе носят принципиальный характер.
К сожалению, в отношении одной из них человек практически беспомощен, и даже время не сможет здесь что-либо изменить. Эта причина объективно связана с фактической бедностью «месторождений» ветровой энергии. Ветер есть везде, но его потенциальные возможности как бы размазаны по поверхности нашей планеты. Районы устойчивых ветров типа зон постоянных пассатов редки. Ветер непостоянен по силе и направлению; его средняя скорость, от которой зависят возможности паруса или другого ветрового движителя, мала. Соответственно, малы кинетическая энергия местного воздушного потока и те перепады давлений, которые можно реализовать на рабочих элементах ветроустановок. Крайне обидно, что из огромного числа клокочущих тонн атмосферы (5,5X10 15 т) на нашу долю природой выделяются только те крохи, которые попадают в «коридор» шириной не больше длины корабля и высотой (если быть реалистами) не больше нескольких десятков метров. Словом, месторождения заветного «ископаемого» обширны, общие запасы огромны, но использовать мы можем лишь незначительную их часть.
На изменение этого положения, определенного природой, рассчитывать не приходится. Очевидно, главные усилия необходимо направлять на повышение эффективности ветроэнергетических установок (ВЭУ). В случае движения судна - на получение максимальной движущей силы при ветре данного направления и силы.
Существующие варианты ветровых движителей, разнообразные по конструкции, принципу действия, своим достоинствам и недостаткам, в большинстве случаев имеют рабочие органы в виде аэродинамического крыла. На полном курсе любой парус представляет собой крыло, работающее в неблагоприятном «закритическом» режиме. На остром к ветру курсе хороший парус обладает всеми главными достоинствами настоящего крыла. В спортивном судостроении уже давно используют жесткие и полужесткие паруса-крылья.
Для оценки эффективности столь разнообразных устройств можно использовать два соотношения: одно - между реализуемой устройством силой и скоростью потока, другое - между величиной подъемной силы и лобовым сопротивлением.
Первое соотношение удобнее всего представить в виде двух «безразмерных» характеристик:
где Y - подъемная сила; X - лобовое сопротивление; S - характерная площадь; С у, С х - соответственно коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления; V - скорость потока, набегающего на устройство.
Второе соотношение называют аэродинамическим качеством
По нашему представлению, независимо от конструктивного типа конкретного ВЭУ, от того, каким образом скомпонованы в его габаритах крыльевые элементы, эффективность движителя в лучшем случае может лишь приблизиться к эффективности некоторого совершенного крыла соответствующих размеров. У такого крыла даже при высоком К максимальные значения С у не превышают величин порядка 1,0-1,1. Эти цифры, по существу, определяют верхнюю границу умеренных возможностей ВЭУ рассматриваемого класса. В этом и состоит вторая причина сегодняшней неконкурентоспособности ветроходов.
Делать прогнозы в технике и науке - занятие достойное, но и очень трудное. Будет очень хорошо, если пессимистическое заключение, высказанное выше, окажется ошибочным. Однако о сложности обсуждаемой проблемы свидетельствует тот факт, что «чайные» клипера нуждались в большом количестве парусов, да и в проектах современных ветроходов паруса-крылья имеют огромную высоту.
По-видимому, нужно искать новые типы и конструкции ветродвижителей. Один из возможных и перспективных вариантов - роторы А. Флетнера - движители, работающие с подводом энергии. Они представляют собой вертикальные цилиндры, установленные на палубе и приводимые во вращение небольшим вспомогательным двигателем. Как показали эксперименты, а затем и опыт эксплуатации ротороходов, подвод относительно небольшого количества механической энергии для вращения роторов позволяет значительно повысить коэффициент подъемной силы, а значит, и существенно уменьшить эффективную площадь парусности ветрохода по сравнению с его классическим прототипом.
Эффект возникновения подъемной силы на вращающемся цилиндре, обтекаемом потоком воздуха (эффект Магнуса), объяснил в 1852 г. берлинский физик Г. Магнус, занимавшийся исследованиями баллистики - законов движения снарядов, Снаряды, получавшие вращение в нарезной чести ствола орудия, под действием бокового ветра странным образом изменяли свою траекторию вопреки рассчитанной для них баллистической кривой. Позже это явление было рассмотрено в работе знаменитого физика лорда Рэлея «Нерегулярный полет теннисного мяча». Особенность закрученного теннисного (футбольного или волейбольного) мяча заключается в том, что под влиянием эффекта Магнуса при определенном соотношении скорости полета и вращения, регулируемых нападающей стороной, он может упасть на игровое поле в совершенно неожиданном для «противника» месте.
Чтобы лучше понять принцип работы роторного движителя, представим себе картину обтекания неподвижного цилиндра идеальным однородным потоком, т. е. лишенной вязкости жидкостью (рис. 1,а). Пусть жидкость натекает на цилиндр со скоростью V 0 . По мере продвижения жидкой частицы от точки А к поперечному сечению цилиндра ее скорость повышается, а в точках Б и Б 1 становится равной 2V 0 . Согласно известному закону Бернулли, давление в потоке в этих точках цилиндра должно соответственно понизиться по сравнению с давлением «на бесконечности» (рис. 1, г). При этом давление распределяется симметрично относительно осей хх и yy.
Если же по-прежнему невращающийся цилиндр обтекается реальной жидкостью или газом, обладающими вязкостью, то картина обтекания изменяется (рис. 1, б). Частицы жидкости, миновав сечение Б-Б 1 , в результате действия сил трения затормаживаются, а в точках В и В 1 слой частиц отрывается от поверхности цилиндра, симметрия течения нарушается, на тыльной стороне цилиндра появляется область пониженного давления - разрежения. Она обусловливает возникновение силы лобового сопротивления X.
Теперь представим, что цилиндру, помещенному в реальную - вязкую, неподвижную в целом жидкость, придается вращение вокруг его оси (рис. 1, в). Поверхность цилиндра вовлечет в движение ближайший к ней слой частиц жидкости, которые как бы прилипают к цилиндру. Следующий слой частиц будет вращаться уже с меньшей скоростью за счет проскальзывания слоев относительно друг друга - скорость уменьшится пропорционально отстоянию частиц от поверхности цилиндра. На достаточно большом удалении жидкость останется неподвижной, т. е. V c =0. Таким образом, цилиндр окажется окруженным завихренным потоком жидкости, интенсивность вращения которого измеряется циркуляцией - произведением скорости частиц на длину их кругового пути. У поверхности цилиндра циркуляция Г=V c ·2πr 0 , где V c - скорость частиц; r 0 - радиус цилиндра.
Чтобы представить себе обтекание вращающегося цилиндра, помещенного в однородный поток, можно использовать принцип наложения двух из рассмотренных выше схем друг на друга (рис. 2, а). В любой точке поверхности цилиндра суммарную скорость частиц можно определить, складывая скорости, соответствующие симметричному обтеканию невращающегося цилиндра, и касательные скорости циркуляционного происхождения. Например, в точке Б первая из скоростей равна 2V0, вторая скорость составляет Vc; суммарная скорость 2V 0 +V c . В точке B 1 касательная скорость V c направлена против скорости потока 2V 0 ; суммарная скорость составит 2V 0 -V c . В результате получившейся разности скоростей (а отсюда и давлений) на верхней и нижней сторонах возникает подъемная сила Y, стремящаяся поднять цилиндр вверх. В этом и состоит эффект Магнуса, использованный в роторном движителе А. Флетнера. Величина подъемной силы на роторе зависит от соотношения скорости вращательной части движения точек поверхности ротора V c и скорости воздушного потока V 0 , набегающего на устройство.
Распоряжаться ветром человек не в силах, зато может полностью контролировать величину V c: при помощи двигателя можно вращать цилиндр и быстрее и медленнее; соответственно, можно управлять и величиной подъемной силы.
В случае обтекания обычного крыла допустимо символическое разделение результирующего течения на безвихревое и «завихренное». Сперва циркуляция возникает при срыве слоев жидкости, обтекающих верхнюю и нижнюю поверхности крыла, с острой задней его кромки в виде так называемого «стартового вихря». В дальнейшем она сохраняется, обеспечивая плавное обтекание задней кромки; При постоянной геометрии крыла скорость циркулирующего потока определяется углом атаки а и скоростью основного потока V 0 . Таким образом, величиной подъемной силы крыла можно управлять, изменяя угол атаки.
Сравнение достоинств крыла и вращающегося цилиндра можно продолжить, опираясь на результаты экспериментов А. Флетнера, но прежде следует учесть одно обстоятельство. Выше рассматривалось обтекание поперечного сечения цилиндра и крыла в одной плоскости - двухмерным потоком жидкости. На самом деле и цилиндр и крыло имеют ограниченную длину, или размах. У концов цилиндра жидкость из области повышенного давления перетекает на сторону разрежения, возникают дополнительные и нежелательные вихревые потоки. Соответственно, величина подъемной силы падает, возникает дополнительное «индуктивное» сопротивление. Чем больше длина цилиндра в сравнении с его диаметром, тем меньше концевые потери и индуктивное сопротивление. Снизить эти потери можно, установив на торцах цилиндра аэродинамические шайбы.
На рис. 3,а представлены результаты экспериментальных замеров коэффициента подъемной силы С у вращающегося цилиндра с относительным удлинением L/D=4,7, снабженного аэродинамическими шайбами и без них. Для роторного движителя, установленного на судне, нижней шайбой может быть палуба; закрепить на верхнем конце ротора шайбу диаметром 1.7D не представит труда. Поэтому можно считать, что достичь коэффициента подъемной силы С y =9 для реального ротора, установленного на судне, несложно. А это гораздо выше, чем коэффициент подъемной силы самого совершенного крыла, и тем более выше (раз в 10), чем такой же коэффициент, определяющий самый хороший парус!
График показывает, что подъемная сила на роторе растет до V c /V 0 =4. Это значит, что скорость вращения ротора может не быть слишком высокой. Чем больше диаметр ротора, тем меньшая частота вращения необходима для достижения максимальной подъемной силы. Другой важный вывод; при, скажем, незапланированном повышении скорости ветра коэффициент подъемной силы автоматически снижается. Значит, при шквале кренящий момент на роторном судне возрастает не в столь большой степени, как на обычном паруснике.
Обратимся теперь к графику зависимости коэффициента лобового сопротивления ротора С х от относительной скорости V c /V 0 (рис. 3, б). Уже при V c /V 0 ≥2 сопротивление ротора резко возрастает, что становится причиной снижения аэродинамического качества ротора по сравнению с крылом.
Аэродинамической характеристикой ротора как движителя может служить поляра - график изменения С у в зависимости от величины С х и, как подразумевается, соотношения V c /V 0 (рис. 4). Для сравнения на рис. 4 нанесена поляра гафельного паруса, обычно применяющегося для оснащения шхун.
Анализируя отношение С у /С х для обоих типов движителей, можно заметить, что качество косого паруса выше, но на единицу площади парусности (напомним, для ротора - это диаметр, умноженный на высоту) на роторе можно получать существенно более высокую подъемную силу.
Посмотрим теперь, каким образом силы, действующие на ротор, превращаются в силу тяги, движущую судно (рис. 5). Следует учитывать, что ротор обтекается потоком воздуха, скорость и направление которого (v в) отличаются от скорости и направления ветра (v и). Поскольку судно имеет ход, то появляется встречный поток воздуха (v к), который нужно сложить по правилу суммирования векторов с истинным ветром.
Сумма подъемной силы Y и лобового сопротивления X на роторе дают результирующую аэродинамическую силу R, которая также может рассматриваться в систем.е координат, связанной с судном, в виде двух составляющих - силы тяги Т и дрейфа D. Очевидно, как и любое парусное судно, ротороход прямо против ветра идти не сможет. Важно, чтобы сила R давала составляющую Т, направленную в нос корабля. Чем ниже качество ротора, тем больше минимальное значение курсового угла φ к (например, при К=1,4 φ к =35°; при К=3 φ к =18° и т. д.). Испытания показали, что роторные суда способны ходить под углом к истинному ветру φ к =25-30°.
Максимальную тягу ротор обеспечивает на курсе бакштаг. При этом поперечная составляющая аэродинамической реакции D направлена в наветренную сторону, т. е. противодействует кривящему моменту (см. рис. 5, б). На курсе, близком к фордевинду, подъемная сила ротора направлена перпендикулярно курсу, т. е. она только способствует дрейфу и крену судна. Тяга обеспечивается за счет лобового сопротивления, поэтому приводить во вращение ротор не имеет смысла. Но этом курсе тяга составляет малую долю ее максимально возможной величины.
Графически изменение величины тяги роторного движителя в зависимости от курса судно показано на рис. 6.
Изменяя направление вращения ротора, можно менять и направление действия аэродинамической силы R почти на обратное. Если на судне установлена пара роторов, то оно может двигаться вперед, назад и разворачиваться практически на месте (рис. 7).
На рис. 8 привалены расчетные кривые сопротивления и аэродинамической силы ка роторах судна А. Флетнера «Буккзу». Скорость вращения роторов постоянна, но изменяется скорость воздушного потока, т. е. имитируется усиление ветра. На обычном паруснике в такой ситуации убирают часть парусов или берут рифы. На роторном судне рифы не взять, но при повышении скорости ветра, как видно из графика на рис. 8, кренящая сила на роторе не увеличивается. Если ротор остановить (V c =0), та аэродинамическая реакция окажется намного меньше даже силы сопротивления рангоута и такелажа обычного парусника при убранных парусах. Подобными свойствами не обладает ни парус, ни (том более) жесткий парус-крыло.
Эксперименты показали, что затраты мощности на вращение ротора с оптимальной частотой составляют буквально проценты от мощности, реализуемой роторным движителем для движения судна.
Данные по кораблям А, Флетнера приведены в таблице. За короткий срок предприимчивый изобретатель (или изобретательный предприниматель) построил и испытал пять плавающих единиц.
Первой была трехфутовая модель роторохода «Данциг», снабженная склеенным из плотной бумаги ротором. Для его вращения был приспособлен пружинный часовой механизм. В этом эксперименте Флетнер не делал никаких замеров, он только проверял то, в чем не сомневался сам и во что отказывались верить его оппоненты: может ли ротор служить движителем судна?
Оппонентов было немало, начиная с самого Г. Магнуса, который, сделав открытие, счел его практически бесполезным. В ту пору А. Флетнер, искавший более эффективную замену традиционному парусу, искренне верил в перспективность жестких парусов-крыльев. Он успел разработать проект переоборудования плавающей баркентины и заключил договор с верфью и с аэродинамической лабораторией, где начались эксперименты с механизированным крылом. Надо же было так случиться, что именно в это время у изобретателя появилась мысль о возможности создания роторного судна! Изобретателю необходима была уверенность в конечном результате. Эту уверенность принесла ему уже первая маленькая модель.
Затем последовали лабораторные эксперименты. Флетнер пользовался консультациями и поддержкой таких известных ученых, как А. Бетц, И. Аккерет и Л. Прандтль. Результатом этих работ было переоборудование и испытание роторного варианта бывшего парусника «Буккау» (рис. 9). Это первый ротороход, который вышел в море. «Буккау» легко переносил шквальные ветра, ходил так же остро к ветру, как парусники, оснащенные косыми парусами. Ротороход продемонстрировал и замечательные маневренные качества. В первом грузовом рейсе из Данцига (Гданьска) в шотландский порт Грейнджмут погодные условия были очень тяжелыми. Как писали газеты, при такой погоде и ветре ни один парусник не смог бы войти в залив Фёрт-оф-Форт, в котором расположен Грейнджмут. Через год, когда ротороход, сменивший свое название на «Баден-Баден», пересек Атлантический океан, на моряков произвело сильное впечатление то, что судно самостоятельно дошло почти до самой причальной стенки в Нью-Йоркском порту.
Окрыленный успехом, изобретатель был убежден, что станет реформатором грузового мореплавания. Но этого^ ему было мало: А. Флетнер оборудовал роторами две яхты. Результаты этого эксперимента также были многообещающими. Одиннадцатиметровая яхта (рис. 10) ходила отлично; при слабом ветре она несколько уступала в скорости прототипам, оснащенным парусами, а при сильном - обгоняла их. На вращение цилиндра расходовалась мощность 1-2 л. с.; максимальная скорость на ходовых испытаниях, по свидетельству автора, составляла 12-13 уз.
Последним ротороходом А. Флетнера и последним до настоящего времени ротороходом, бороздившим море, была «Барбара» - первое судно, специально построенное для роторного движения. На него предполагалось поставить один ротор высотой 29,9 м и диаметром 7,04 м. Однако в то время промышленность не могла выпускать шарикоподшипники нужных размеров, поэтому на «Барбаре» появились три ротора. Их размеры незначительно превышали те, что надежно работали на «Буккау».
В настоящее время ротороходы не строятся и не плавают. Появившись в 20-е годы, они сразу же исчезли. Остался только опыт, который позволяет подытожить достоинства и недостатки роторных движителей.
Ротор обладает высоким коэффициентом подъемной силы (2,5-10,0) против парусного (1,0-1,1).
Движитель прост в обслуживании (10 парусов баркентины «Буккау» или два управляемых с мостика ротора, что проще?).
Ротор выходит на рабочий режим в считанные минуты, тогда как постановка и уборка парусов занимает очень много времени. Экипаж роторного судна освобожден от тяжелой и опасной работы на реях и мачтах. Ротороход обладает хорошими маневренными качествами. При шквалистом усилении ветра аэродинамические силы на роторе возрастают в гораздо меньшей степени, чем на парусах, поэтому роторное судно в меньшей степени подвержено опасности получить большой крен или опрокинуться. Наконец, ротор можно применять и в качестве главной установки, и в качестве вспомогательного двигателя: он даст прирост скорости на несколько узлов или - экономию топлива.
Перечень достоинств внушителен, но почему сегодня не видно роторных судов на океанских трассах? Наверно, потому, что ротор обладает не только достоинствами, но и недостатками. О них мы упомянули только кратко, поскольку не это главное.
Ротороходы появились в период упоения человека прелестями технического прогресса. Уголь, а за ним нефть,- что им могло противостоять? Пароходные дымы казались символом могущества человека. И скорость, скорость, скорость...
А если не нефть, не уголь и не скорость? Тогда - проблемы, проблемы и - совершенно новые корабли. Быть может, чем-то похожие на ротороходы?
От редакции
Авторы статьи «Снова ротор?» убедительно показали нам достоинства незаслуженно забытых роторных судов Антона Флетнера. И доказали, что усовершенствованные с учетом последних достижений науки и техники роторные суда в определенных условиях могут оказаться высокоэффективными и рентабельными.Совершенно очевидно главное их преимущество перед всеми классическими видами парусного вооружения - простота управления. Даже в 20-е годы была достигнута поражавшая современников полная его механизация - никакой команды на реях, один вахтенный, нажимающий кнопки! Сокращение построечной стоимости вдвое, по сравнению с традиционным парусным вооружением; высокая надежность, относительная простота и долговечность конструкции; меньший, чем у винджаммеров, угол лавировки, - эти неоспоримые плюсы ротора оправдывают обращение к опыту полувековой давности.
Не подумайте, что сказанное - лишь умозрительное заключение теоретиков. Вот мнение капитана «Барбары»; «Роторы - многообещающее средство, особенно для больших судов, совершающих продолжительные рейсы». Б. Рихтер - совладелец компании, эксплуатировавшей это так и остающееся пока единственным роторное судно специальной постройки, заявил: «Роторы помогают увеличить среднюю скорость на 2-3 уз», и рекомендовал применять их на судах, предназначенных для трансокеанских рейсов.
В наши дни все возрастающий интерес ко всем видам ветроэнергетических установок заставил инженеров и капитанов вспомнить об изобретении А. Флетнера. Сегодня речь идет о роторах как в первую очередь вспомогательном средстве движения, обеспечивающем экономию топлива на существующих грузовых судах-теплоходах.
Известно, например, предложение знаменитого английского конструктора многих оригинальных парусников Колина Мьюди. Его идея заключается в том, чтобы наладить выпуск модульных роторных установок с встроенными приводными электродвигателями. Будет несложно установить на палубе нужное число таких установок, подать питание от судовой электростанции и вывести управление роторами на щит в ходовую рубку.
Другой англичанин - доктор Д. Ж. Велликам предложил установить роторы на 150-метровом современном судне, мощность главного двигателя которого уменьшена до величины, обеспечивающей скорость 9 уз. По расчетам, при благоприятных ветровых условиях скорость такого судна (при отборе 50% имеющейся мощности на вращение двух роторов диаметром 12,5 м и высотой 75 м от КВЛ) составит 23 уз.
Еще один англичанин - Стивен Бэрон в 1977 г. детально разработал идею установки трех роторов высотой по 53 м и диаметром 12,5 м на серийный балкер (судно для навалочных грузов) длиной 226 м и грузоподъемностью 63 800 т. Цилиндры предложено сделать сварными из легкого сплава. Электроэнергию для приводных двигателей будет давать дизель-генератор мощностью около 750 л. с. При ходе в галфвинд и ветре 8,5 м/с ожидаемая скорость судна с выключенными главными двигателями составит 16 уз. Если даже роторы будут работать лишь 30% общего ходового времени, годовая экономия благодаря уменьшению расхода топлива составит минимум 400 тыс. долларов. (Повышение цен за последние пять лет существенно увеличивает эту цифру!) Наконец, тому же автору принадлежит проект научно-исследовательского судна-катамарана с двумя полностью погруженными сигарообразными 75-метровыми корпусами и надводной платформой, на которой установлены два ротора.
В нашем ЦНИИ морского флота выполнены оценочные проработки варианта с установкой трех 34,5-метровых роторов на серийный танкер грузоподъемностью 27 000 т. Расчеты (см. сборник трудов НКЦ «Исследование, проектирование и постройка парусных судов», Николаев, 1982) показали, что использование роторов одновременно с работой главного двигателя обеспечивает сохранение обычной скорости хода (15,2 уз) при снижении потребляемой мощности, а следовательно и расхода топлива, на 15-35%.
Однако все это, как видим, лишь более или менее проработанные проектные предложения. Так или иначе, но после «Барбары» о постройке где-либо роторных судов сведений нет . И это, очевидно, не случайность.
Главным доводом противников ротора служит необходимость лавировки как при ходе острыми курсами против ветра, так и при ходе полными курсами - от крутого бакштага до фордевинда (ведь это существенно снижает эффективность ветрохода при использовании классических путей парусников с постоянными попутными ветрами). В то же время с давних пор хорошо известно, что при ходе с попутными ветрами наиболее эффективно не поддающееся механизации прямое вооружение. Неудивительно, что в ряде исследовательских центров возникла одна и та же заманчивая идея: совместить достоинства ротора и прямого парусного вооружения.
Как сообщают Г. Алчуджан и Е. Фомина , вторая стадия исследований по применению ветродвижения, проводимых Управлением торгового флота США, включает анализ комбинации роторов Флетнера и классического вооружения клиперов и винджаммеров. Американские исследователи считают, что это «может обеспечить достаточную экономическую эффективность даже при перевозках высокотарифицируемых грузов».
Как уже, возможно, известно читателю (см., например, газ. «Правда» от 18.X 1982 г.), аналогичная работа проводится и в нашей стране. В ЦПКБ министерства морского флота создан аэродинамический движительный комплекс (АДК), позволяющий говорить о возрождении старой идеи ротора, но в совершенно новом - модернизированном виде: в сочетании с механизированным мягким прямым парусом. Проработаны варианты установки подобных модульных АДК на конкретных серийных судах нашего флота, выпускаются рабочие чертежи АДК.
Об этом по просьбе редакции рассказывает один из авторов АДК Георгий Михайлович Кудреватый. В следующем номере журнала предполагается напечатать статью об устройстве АДК и рассмотреть вариант его для установки на водоизмещающих катерах.
Примечания
1. Для ротора характерной площадью S является площадь меридионального его сечения, равная произведению диаметра О на высоту L.2. Об этом рассказывается в очень содержательной и интересной книжке Ю. Крючкова и И. Перестюка «Крылья океанов», выпущенной изд-вом «Судостроение».
3. Хотя бы справедливости ради надо упомянуть, что пару лет назад самоходное роторное судно видели многие из отдыхающих на Кавголовском озере под Ленинградом. Это была обычная байдарка с ротором (два диска на мачте и пленка между ними), вращаемым педальным приводом. В полветра байдарка шла довольно уверенно, но для поворотов и хода другими курсами приходилось браться за весло. Изобретатель-байдарочник побывал в редакции и обещал подробно описать свою роторную систему в случае удачного завершения испытаний,
4. См. «Судостроение за рубежом», № 1, 1982 г.
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 мачты-паруса установлены на яхте?..
«Алкиону» фонд Кусто приобрёл 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 одиннадцать лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла её место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).
Собственно, турбопарус изобрёл Кусто. Так же, как акваланг, подводное блюдце и ещё множество приспособлений для исследований морских глубин и поверхности мирового океана. Идея родилась ещё в начале восьмидесятых 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 посредственны и зависимы 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 серьёзный вклад и в кораблестроение.
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.
«Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», — писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.
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 создаёт вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растёт, а с противоположной — падает. Разница давлений и создаёт поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.
Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус. 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, при том в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л.Прандтль, «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925 год).
Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 сантиметров, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла. Доказав на практике возможность использования боковой силы, возникающей в результате эффекта Магнуса, Флеттнер решился переоборудовать трёхмачтовик «Букау» в роторный корабль.
На сегодняшний день «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…
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 во много раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор — примерно в 50 раз! 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 дёшев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счёт правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.
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 25° к встречному ветру (для обычного паруса предел — около 45°). 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 судна проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьёзных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперёд или назад) определялось направлением вращения роторов.
Уже в феврале 1925 году «Букау» успешно прошла путь из Данцига в Шотландию через Северное море, а годом позже корабль (переименованный в «Баден Баден») совершил вояж из Европы в Америку через Атлантический океан. 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).
Но в конце двадцатых грянула Великая Депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и её продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Всё-таки роторный движитель проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определённых ограничений по мощности и скороходности. 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…
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 ещё со времён Флеттнера. И её подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.
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 создание её финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной — она останавливалась и переходила на 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.
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 Шаррье получили совместный патент US4630997 на «Устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание патентуемого устройства 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 пропорциональная площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скруглённой с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решётки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперёд или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый от электромотора. Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент её отрыва от плоскости турбопаруса. Это создаёт разрежение с одной из сторон турбопаруса, параллельно 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 самолётное крыло; по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъёмной силы самолёта. Для того, чтобы турбопарус всегда был повёрнут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе.
Как ни странно, и в наше время в промышленности используются вполне привычные паруса. Судостроительные компании нередко закладывают в проекты крупных танкеров и грузовиков возможность установки такелажа и парусного вооружения. Известнейшим проектом является немецкий транспортный корабль MS Beluga SkySails, спущенный на воду 1 января 2008 года. Примерно 15−20% мощности корабль развивает благодаря гигантскому воздушному змею площадью 160 м 2 , в планах компании — увеличение его до 320 м 2 . Змей укреплен на носу корабля на канате, его поведение контролируется компьютером. Обычно он парит на высоте порядка 100 м и на расстоянии около 500 м от корабля, при этом тянет судно за собой. К 2013 году специалисты компании SkySails GmbH & Co. KG планируют оснастить своей системой около 400 судов — каждый такой «тюнинг» позволит заметно сократить расход топлива и количество вредных выбросов в атмосферу.
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 Ля Рошель была спущена на воде «Алкиона», первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сегодня она по‑прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблём) команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и нескольких винтов (что позволяет сократить расход горючего примерно на треть, кстати). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил ещё 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 начала активную разработку роторного танкера после нефтяного кризиса 1973 года — но к 1986 экономические факторы «прикрыли» этот проект. Потом был ряд любительских конструкций; например, в 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg).
И лишь в 2010 году свет увидел третий в истории корабль с роторными парусами — тяжёлый грузовик E-Ship 1, построенный 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 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. Всё-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, работающей от отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.
А вот турбопарус Кусто пока что остаётся в некотором забвении: «Алкиона» и 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 всё мировое судоходство перейдёт на принцип, который талантливый немецкий учёный описал более 150 лет назад.
