Знаменитий документальний серіал «Підводна одіссея команди Кусто» великий французький океанограф знімав в 1960-1970-х роках. Основним кораблем Кусто був тоді перероблений з британського мінного тральщика «Каліпсо». Але в одному з наступних фільмів - «Повторне відкриття світу» - з'явилося інше судно, яхта «Алкіона». Дивлячись на неї, багато телеглядачів задавали собі питання: що це за дивні щогли-вітрила встановлені на яхті? ..
«Алкіона» фонд Кусто придбав в 1985 році, і розглядався цей корабель не стільки як дослідницький, скільки в якості бази для вивчення ефективності турбопарусов - оригінального суднового рушія. А коли через одинадцять років легендарна «Каліпсо» затонула, «Алкіона» зайняла її місце в якості основного судна експедиції (до слова, сьогодні «Каліпсо» піднята і в полуразграбленном стані коштує в порту Конкарно).
Власне, турбопарус винайшов Кусто. Так само, як акваланг, підводне блюдце і ще безліч пристосувань для досліджень морських глибин і поверхні світового океану. Ідея народилася ще на початку вісімдесятих і полягала в тому, щоб створити максимально екологічний, але при цьому зручний і сучасний рушій для водоплавної кошти. Використання сили вітру уявлялося найбільш перспективним напрямком досліджень. Але от невдача: парус людство придумало кілька тисяч років тому, а що може бути простіше і логічніше?
Звичайно, Кусто і компанія розуміли, що побудувати судно, що приводиться в рух виключно вітрилом, неможливо. Точніше, можливо, але його ходові якості будуть дуже посередні і залежні від примх погоди і напряму вітру. Тому спочатку планувалося, що новий «парус» буде лише допоміжною силою, яка застосовується в допомогу звичайним дизельних двигунів. При цьому турбопарус помітно знизив би витрата дизельного палива, а при сильному вітрі міг стати єдиним рушієм судна.
І погляд команди дослідників звернувся в минуле - до винаходу німецького інженера Антона Флеттнера, знаменитого авіаконструктора, який вніс серйозний внесок і в кораблебудування.
Ротор Флеттнера і ефект Магнуса
16 вересня 1922 року Антон Флеттнер отримав німецький патент на так зване «роторне судно». А в жовтні 1924 року експериментальне роторное судно Buckau зійшло зі стапелів кораблебудівної компанії Friedrich Krupp в Кілі. Правда, будувалася шхуна не з нуля: до установки роторів Флеттнера вона була звичайним вітрильним судном.
«Вітряний корабель Флеттнера у всіх на вустах завдяки надзвичайно ревною газетної пропаганди», - писав Луї Прандтль в своїй статті про розробку німецького інженера.
Ідея Флеттнера полягала у використанні так званого ефекту Магнуса, суть якого полягає в наступному Коли повітряна (або рідинний) потік обтікає тіло, що обертається, утворюється сила, перпендикулярна напряму потоку і впливає на тіло. Справа в тому, що обертається об'єкт створює навколо себе вихровий рух. З того боку об'єкта, де напрямок вихору збігається з напрямком потоку рідини або газу, швидкість руху середовища зростає, а з протилежного - падає. Різниця тисків і створює поперечну силу, спрямовану від сторони, де напрямок обертання і напрям потоку протилежні, до сторони, де вони збігаються.
Відкрив цей ефект в 1852 році берлінський фізик Генріх Магнус. Один з його класичних дослідів виглядав наступним чином: «Латунний циліндр міг обертатися між двома вістрями; швидке обертання циліндра повідомлялося, як в дзизі, шнуром. Циліндр, що обертається містився в рамі, яка в свою чергу легко могла повертатися. На цю систему пускалася сильний струмінь повітря за допомогою маленького відцентрового насоса. Циліндр відхилявся в напрямку, перпендикулярному до повітряної струмені і до осі циліндра, при тому в ту сторону, з якої напряму обертання і струменя були однакові »(Л.Прандтль,« Ефект Магнуса і вітряної корабель », 1925 рік).
Власне, Флеттнер зробив досить просту річ. Він встановив на метрову випробувальну шлюпку паперовий циліндр-ротор висотою близько метра і діаметром 15 сантиметрів, а для його обертання пристосував годинниковий механізм. І шлюпка попливла. Довівши на практиці можливість використання бічної сили, що виникає в результаті ефекту Магнуса, Флеттнер зважився переобладнати трёхмачтовік «Букау» в роторний корабель.
На сьогоднішній день «Алкіона» є єдиним в світі судном з турбопарусом системи Кусто. Смерть великого океанографа в 1997 році поставила хрест на будівництві другого подібного корабля, «Каліпсо II», а інші кораблебудівники побоюються незвичній конструкції ...
Ротори «Букау» оберталися від електродвигунів. Власне, ніякої відмінності від класичних дослідів Магнуса в конструкції не було. З боку, де ротор обертався назустріч вітру, створювалася область підвищеного тиску, з протилежного - зниженого. Результуюча сила і рухала судно. Більш того, ця сила у багато разів перевищувала силу тиску вітру на нерухомий ротор - приблизно в 50 разів! Це відкривало перед Флеттнер величезні перспективи. Крім усього іншого, площа ротора і його маса були в кілька разів менше, ніж площа вітрильного озброєння, яке б давало рівну рушійну силу. Ротором було набагато простіше управляти, та й у виробництві він був досить дешевий. Зверху Флеттнер накрив ротори площинами-тарілками - це збільшувало рушійну силу приблизно в два рази за рахунок правильної орієнтації потоків повітря щодо ротора. Оптимальну висоту і діаметр ротора для «Букау» розрахували, продув модель майбутнього судна в аеродинамічній трубі.
Ротор Флеттнера показав себе чудово. На відміну від звичайного парусного судна, роторний корабель практично не боявся негоди і сильних бічних вітрів, легко міг йти змінними гаслами під кутом 25 ° до зустрічному вітрі (для звичайного вітрила межа - близько 45 °). Два циліндричних ротора (висота - 13,1 м, діаметр - 1,5 м) дозволили відмінно збалансувати судно - воно виявилося стійкіше парусника, яким «Букау» був до перебудови. Випробування судна проводили і в штиль, і в шторм, і з навмисною перевантаженням - і ніяких серйозних недоліків виявлено не було. Найбільш вигідним для руху судна було напрямок вітру точно по перпендикуляру до осі судна, а напрямок руху (вперед або назад) визначалося напрямком обертання роторів.
Уже в лютому 1925 року «Букау» успішно пройшла шлях з Данцига до Шотландії через Північне море, а роком пізніше корабель (перейменований в «Баден Баден») здійснив вояж з Європи в Америку через Атлантичний океан. У тому ж році на верфі був закладений другий роторний корабель - могутній вантажний лайнер «Барбара», що приводиться в рух трьома 17-метровими роторами. При цьому для кожного ротора вистачало одного маленького моторчика потужністю всього 35 л.с. (При максимальній швидкості обертання кожного ротора 160 об / хв)! Тяга роторів була еквівалентна тязі гвинтового рушія укупі зі звичайним корабельним дизелем потужністю близько 1000 к.с. Втім, дизель на судні теж був наявний: на додаток до роторам він приводив в рух гвинт (який залишався єдиним рушієм в разі безвітряної погоди).
Але в кінці двадцятих грянула Велика Депресія. У 1929 році чартерна компанія відмовилася від подальшої оренди «Барбари», і її продали. Новий власник зняв ротори і переобладнав корабель за традиційною схемою. Все-таки роторний рушій програвав гвинтовим рушіїв в поєднанні зі звичайною дизельною силовою установкою через свою залежність від вітру і певних обмежень по потужності і скороходності. Флеттнер звернувся до більш перспективним дослідженням, а «Баден Баден» в результаті затонув під час шторму в Карибському морі в 1931 році. І про роторних вітрилах надовго забули ...
Турбопарус Кусто
Вітрильники будувалися і протягом XX століття. В сучасних кораблях такого типу вітрильне озброєння згортається за допомогою електромоторів, нові матеріали дозволяють помітно полегшити конструкцію. Але вітрильник вітрильником, а ідея використовувати енергію вітру кардинально новим способом витала в повітрі ще з часів Флеттнера. І її підхопив невтомний шукач пригод і дослідник Жак-Ів Кусто.
Яхта конструкції Джона Марплс «Клодія» (Cloudia) являє собою перебудований тримаран Searunner 34. Перші тести яхта пройшла в лютому 2008 року в місті Форт Пірс, Флорида, США, а створення її фінансував телеканал Discovery. «Клодія» показала себе неймовірно маневреної - вона зупинялася і переходила на задній хід за лічені секунди, вільно рухалася під кутом близько 15 ° до вітру. Помітне поліпшення характеристик по відношенню до традиційного ротора Флеттнера обумовлено додатковими поперечними дисками, встановленими на передній і задній ротори тримаран.
23 грудня 1986 року, вже після того, як згадана на початку статті «Алкіона» була спущена на воду, Кусто і його колеги Люсьєн Малавар і Бертран Шаррі отримали спільний патент US4630997 на «Пристрій, що створює силу за допомогою використання рухомої рідини або газу». Загальний опис патентується пристрою звучить наступним чином: «Пристрій поміщається в середу, що рухається в деякому напрямку; при цьому виникає сила, що діє в напрямку, перпендикулярному першому. Пристрій дозволяє уникнути використання масивних вітрил, в яких рушійна сила пропорційна площі вітрила ». Чим же відрізняється турбопарус Кусто від роторного вітрила Флеттнера?
У поперечному перерізі турбопарус є чимось на зразок витягнутої і округляє з гострого кінця краплі. З боків «краплі» розташовані повітрозабірні решітки, через одну з яких (в залежності від необхідності руху вперед або назад) проводиться відсмоктування повітря. Для максимально ефективного засмоктування вітру в повітрозабірник на турбопарусе встановлений невеликий вентилятор, що приводиться від електромотора. Він штучно підвищує швидкість руху повітря з підвітряного боку вітрила, всмоктуючи повітряний струмінь в момент її відриву від площини турбопаруса. Це створює розрідження з однієї зі сторін турбопаруса, паралельно запобігаючи утворенню турбулентних вихорів. А далі діє ефект Магнуса: розрідження з одного боку, як результат - поперечна сила, здатна призводити судно в рух. Власне, турбопарус - це поставлене вертикально літакове крило; по крайней мере принцип створення рушійної сили схожий з принципом створення підйомної сили літака. Для того, щоб турбопарус завжди був повернутий до вітру найбільш вигідною стороною, він обладнаний спеціальними датчиками і встановлений на поворотній платформі.
Як не дивно, та в наш час в промисловості використовуються цілком звичні вітрила. Суднобудівні компанії нерідко закладають в проекти великих танкерів і вантажівок можливість установки такелажу і парусного озброєння. Найвідомішим проектом є німецький транспортний корабель MS Beluga SkySails, спущений на воду 1 січня 2008 року. Приблизно 15-20% потужності корабель розвиває завдяки гігантському повітряного змія площею 160 м2, в планах компанії - збільшення його до 320 м2. Змій укріплений на носі корабля на канаті, його поведінка контролюється комп'ютером. Зазвичай він ширяє на висоті близько 100 м і на відстані близько 500 м від корабля, при цьому тягне судно за собою. До 2013 року фахівці компанії SkySails GmbH & Co. KG планують оснастити своєю системою близько 400 судів - кожен такий «тюнінг» дозволить помітно скоротити витрату палива і кількість шкідливих викидів в атмосферу.
Власне, вперше Кусто випробував прототип турбопаруса на катамарані «Вітряк» (Moulin à Vent) в 1981 році. Найбільшим успішним плаванням катамарана було подорож з Танжера (Марокко) в Нью-Йорк - під «наглядом» більшого корабля експедиції.
А в квітні 1985 року в порту Ля Рошель була спущена на воді «Алкіона», перший повноцінний корабель, обладнаний турбопарусамі. Сьогодні вона як і раніше на ходу і на сьогоднішній день є флагманом (і, по суті, єдиним великим кораблем) команди Кусто. Турбопаруса на ній служать не єдиним рушієм, але допомагають звичайної зчепленні з двох дизелів та кількох гвинтів (що дозволяє скоротити витрату пального приблизно на третину, до речі). Будь великий океанограф живий, він би, напевно, побудував ще кілька подібних кораблів, але ентузіазм його соратників після відходу Кусто помітно спав. Незадовго до смерті в 1997 році Кусто активно опрацьовував проект судна «Каліпсо II» з турбопарусом, але завершити його не встиг. За останніми даними взимку 2011 року «Алкіона» стояла в порту Каєн і чекала нової експедиції.
І знову Флеттнер
Сьогодні робляться спроби відродити ідею Флеттнера і зробити роторні вітрила масовими. Наприклад, знаменита гамбургська компанія Blohm & Voss почала активну розробку роторного танкера після нафтової кризи 1973 року - але ДО 1986 економічні чинники «прикрили» цей проект. Потім був ряд аматорських конструкцій; наприклад, в 2007 році студенти фленсбургского університету побудували катамаран, що приводиться в рух роторним вітрилом (Uni-cat Flensburg).
І лише в 2010 році світ побачив третій в історії корабель з роторними вітрилами - важкий вантажівка E-Ship 1, побудований за замовленням компанії Enercon, одного з найбільших виробників вітрогенераторів в світі. 6 липня 2010 корабель був вперше спущений на воду і зробив короткий плавання з Емдена в Бремерхафен. А вже в серпні він відправився в перший робочий вояж до Ірландії з вантажем з дев'яти вітрогенераторів.
Судно обладнане чотирма роторами Флеттнера і, звичайно, традиційної силовою установкою на випадок затишності і для отримання додаткової потужності. Все-таки роторні вітрила служать лише допоміжними рушіями - для 130-метрового вантажівки їх потужності замало, щоб розвивати належну швидкість. Двигунами служать дев'ять силових установок Mitsubishi, а ротори обертаються за допомогою парової турбіни виробництва Siemens, що працює від відпрацьованих газів. Роторні вітрила дозволяють заощадити від 30 до 40% палива на швидкості 16 вузлів.
А ось турбопарус Кусто поки що залишається в деякому забутті: «Алкіона» і на сьогоднішній день - єдиний повнорозмірний корабель з таким типом рушія. Досвід німецьких кораблебудівників покаже, чи має сенс і далі розвивати тему вітрил, що працюють на ефекті Магнуса. Головне - знайти цього економічне обгрунтування і довести ефективність. А там, дивись, і все світове судноплавство перейде на принцип, який талановитий німецький вчений описав понад 150 років тому.
Стаття «Чи то щогла, чи то парус» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2011 ).
Дивлячись на неї, багато телеглядачів задавали собі питання: що це за дивні щогли-вітрила встановлені на яхті?Але от невдача: парус людство придумало кілька тисяч років тому, а що може бути простіше і логічніше?
Чим же відрізняється турбопарус Кусто від роторного вітрила Флеттнера?