Паруса в виде колонн: эффект Магнуса

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?..

Необыкновенная популярность «Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», — писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.

 Необыкновенная популярность «Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде», — писал Луи Прандтль в своей статье о разработке немецкого инженера.

 

Турбопарусник Кусто 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…

 Турбопарусник Кусто 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…

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.

Судно было названо по имени Алкионы, дочери древнегреческого бога ветров Эола.

Турбопарус, работая как вспомогательный движитель, прилично сберегает энергию дизельного двигателя.

Переход подходил к концу, когда недалеко от американского берега судну пришлось столкнуться с ветрами, скорость которых превышала 50 узлов. Сварочные швы, удерживавшие турбопарус в вертикальном положении, лопнули, и прототип рухнул в море. Исследовательская программа судна ставила целью определить эффективность тяги системы. Хотя турбопарус и давал тягу и энергию, но в меньших количествах, чем обычные паруса и генераторы, которые он замещал. Конструктивные проблемы системы привели к короблению конструкции и появлению трещин у основания паруса (за счёт усталости металла). Всё это значительно снизило эффективность турбопаруса. После того, как основная идея получила подтверждение, Кусто и его группа прекратили работу над прототипом, полностью сосредоточившись на более крупном судне, «Алсионе».

Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008? года в? городе Форт-Пирс, Флорида, США, а? ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.

 Яхта конструкции Джона Марплса «Клодия» (Cloudia) представляет собой перестроенный тримаран Searunner 34. Первые тесты яхта прошла в феврале 2008 года в городе Форт-Пирс, Флорида, США, а ее создание финансировал телеканал Discovery. «Клодия» показала себя невероятно маневренной: она останавливалась и включала задний ход за считанные секунды, свободно двигалась под углом порядка 15° к ветру. Заметное улучшение характеристик по отношению к традиционному ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.

Воздушные змеи 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? м2, в? планах компании — увеличение его до 320? м2. 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.

 Воздушные змеи 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 м2, в планах компании — увеличение его до 320 м2. 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.

Яхту «Алкиона» фонд Кусто приобрел в 1985 году, и рассматривался этот корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов — оригинального судового движителя. А когда спустя 11? лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве основного судна экспедиции (к слову, сегодня «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в? порту Конкарно).

Собственно, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, подводное блюдце и множество других приспособлений для исследования морских глубин и поверхности Мирового океана. Идея родилась еще в начале 1980-х и заключалась в том, чтобы создать максимально экологичный, но при этом удобный и современный движитель для водоплавающего средства. Использование силы ветра представлялось наиболее перспективным направлением исследований. Но вот незадача: парус человечество придумало несколько тысяч лет назад, а что может быть проще и логичнее?

Конечно, Кусто и компания понимали, что построить судно, приводимое в движение исключительно парусом, невозможно. Точнее, возможно, но его ходовые качества будут весьма посредственными и зависимыми от капризов погоды и направления ветра. Поэтому изначально планировалось, что новый «парус» будет лишь вспомогательной силой, применимой в помощь обычным дизельным двигателям. При этом турбопарус заметно снизил бы расход дизельного топлива, а при сильном ветре мог стать единственным движителем судна. И взгляд команды исследователей обратился в прошлое — к изобретению немецкого инженера Антона Флеттнера, знаменитого авиаконструктора, внесшего серьезный вклад и в кораблестроение.

Ротор Флеттнера и эффект Магнуса

16 сентября 1922 года Антон Флеттнер получил немецкий патент на так называемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Правда, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была обычным парусным судном.

Идея Флеттнера заключалась в использовании так называемого эффекта Магнуса, суть которого состоит в следующем: когда воздушный (или жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело. Дело в том, что вращающийся объект создает вокруг себя вихревое движение. С той стороны объекта, где направление вихря совпадает с направлением потока жидкости или газа, скорость движения среды растет, а с противоположной — падает. Разница давлений и создает поперечную силу, направленную от стороны, где направление вращения и направление потока противоположны, к стороне, где они совпадают.

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, притом в ту сторону, с которой направления вращения и струи были одинаковы» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).

Собственно, Флеттнер сделал довольно простую вещь. Он установил на метровую испытательную шлюпку бумажный цилиндр-ротор высотой около метра и диаметром 15 см, а для его вращения приспособил часовой механизм. И шлюпка поплыла. Доказав на практике возможность использования боковой силы, возникающей в результате эффекта Магнуса, Флеттнер решился переоборудовать трехмачтовик «Букау» в роторный корабль.

Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Собственно, никакого отличия от классических опытов Магнуса в конструкции не было. Со стороны, где ротор вращался навстречу ветру, создавалась область повышенного давления, с противоположной — пониженного. Результирующая сила и двигала судно. Более того, эта сила примерно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!

Это открывало перед Флеттнером огромные перспективы. Помимо всего прочего, площадь ротора и его масса были в несколько раз меньше, чем площадь парусного вооружения, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было намного проще управлять, да и в производстве он был достаточно дешев. Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу примерно в два раза за счет правильной ориентации потоков воздуха относительно ротора. Оптимальную высоту и диаметр ротора для «Букау» рассчитали, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.

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 13,1м, диаметр 1,5м) позволили отлично сбалансировать судно — оно оказалось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки. Испытания проводили и в штиль, и в шторм, и с намеренной перегрузкой — и никаких серьезных недостатков выявлено не было. Наиболее выгодным для движения судна было направление ветра точно по перпендикуляру к оси судна, а направление движения (вперед или назад) определялось направлением вращения роторов.

Уже в феврале 1925 года «Букау» успешно прошла долгий 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 1920-х грянула Великая депрессия. В 1929 году чартерная компания отказалась от дальнейшей аренды «Барбары», и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме. Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с обычной дизельной силовой установкой из-за своей зависимости от ветра и определенных ограничений по мощности и быстроходности. Флеттнер обратился к более перспективным исследованиям, а «Баден-Баден» в итоге затонул во время шторма в Карибском море в 1931 году. И о роторных парусах надолго забыли…

Турбопарус Кусто

Парусники строились и на протяжении XX века. В современных кораблях такого типа парусное вооружение сворачивается с помощью электромоторов, новые материалы позволяют заметно облегчить конструкцию. Но парусник парусником, а идея использовать энергию ветра кардинально новым способом витала в воздухе еще со времен Флеттнера. И ее подхватил неутомимый искатель приключений и исследователь Жак-Ив Кусто.

23 декабря 1986 года, уже после того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была спущена на воду, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и Бертран Шарье получили совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа». Общее описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в среду, движущуюся в? некотором направлении; при этом возникает сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому. Устройство позволяет избежать использования массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?

В поперечном сечении турбопарус представляет собой нечто вроде вытянутой и скругленной с острого конца капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости движения вперед или назад) производится отсос воздуха. Для максимально эффективного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен небольшой вентилятор, приводимый в движение электромотором.

Он искусственно повышает скорость движения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это создает разрежение с одной из сторон турбопаруса, одновременно предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как результат — поперечная сила, способная приводить судно в движение. Собственно, турбопарус — это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Для того чтобы турбопарус всегда был повернут к ветру наиболее выгодной стороной, он оборудован специальными датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздух может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к примеру, воздушным насосом — таким образом Кусто прикрыл калитку для последующих «изобретателей».

Собственно, впервые Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin Vent) в 1981 году. Самым крупным успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более крупного корабля экспедиции.

А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была спущена на воду «Алкиона» — первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. Сейчас она по-прежнему на ходу и на сегодняшний день является флагманом (и, по сути, единственным крупным кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней служат не единственным движителем, но помогают обычной сцепке из двух дизелей и нескольких винтов (что, кстати, позволяет сократить расход горючего примерно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, наверное, построил еще несколько подобных кораблей, но энтузиазм его соратников после ухода Кусто заметно спал.

Незадолго до смерти в 1997 году Кусто активно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его не успел. По последним данным, зимой 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ждала новой экспедиции.

И снова Флеттнер

Сегодня предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. Например, знаменитая гамбургская компания Blohm + Voss после нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к 1986-му экономические факторы прикрыли этот проект. Потом был целый ряд любительских конструкций. В 2007 году студенты Фленсбургского университета построили катамаран, приводимый в движение роторным парусом (Uni-cat Flensburg). В 2010 году появился третий в истории корабль с роторными парусами — тяжелый грузовик E-Ship1, который был построен по заказу компании Enercon, одного из крупнейших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010 года корабль был впервые спущен на воду и совершил короткое плавание из Эмдена в Бремерхафен. А уже в августе он отправился в свой первый рабочий вояж в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов. Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и, конечно, традиционной силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Все-таки роторные паруса служат лишь вспомогательными движителями: для 130-метрового грузовика их мощности маловато, чтобы развивать должную скорость. Двигателями служат девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются с помощью паровой турбины производства Siemens, использующей энергию отработавших газов. Роторные паруса позволяют сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16 узлов.

А вот турбопарус Кусто пока остается в некотором забвении: «Алкиона» на сегодняшний день — единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт немецких кораблестроителей покажет, имеет ли смысл и дальше развивать тему парусов, работающих на эффекте Магнуса. Главное — найти этому экономическое обоснование и доказать эффективность. А там, глядишь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, который талантливый немецкий ученый описал более 150 лет назад.

Статья «То ли мачта, то ли парус» опубликована в журнале «Популярная механика» (№101, март 2011).

1. Фильм «Одиссея Жака Кусто — Алкиона: Дочь ветра» 1992-1993гг. Студия — The Cousteau Society, Inc., режиссёр — Филипп Кусто, Жак-Ив Кусто;
2. Популярная механика.
Другие статьи по этой теме:

    Журнал «Юнный техник» 2007 г. №7

Ротор Флеттнера Журнал "Юнный техник" 2007-07Flettner-Rotor-Schiff2Ротор Флеттнера Журнал "Юнный техник" 2007-07Ротор Флеттнера Журнал "Юнный техник" 2007-07

Ротор Флеттнера Журнал "Юнный техник" 2007-07Роторы Антона Флеттнера

…Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря необычайно ревностной газетной пропаганде… «Ροтор Флеттнера» обладает такими удивительными свойствами, которые никак нельзя объяснить простыми представлениями о ветряном давлении; достаточно сказать, что силовые действия на вращающийся цилиндр должны быть в 10— 15 раз больше, чем на парус с такой же видимой поверхностью.

Людвиг Прандтль

Так начал свой доклад  на заседании Геттингенского физического общества 17 ноября 1924 г. Людвиг Прандтль — немецкий гидродинамик. Его именем были названы: число Прандтля — один из критериев подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, и трубка Прандтля — гидроаэрометрическое устройство для измерения динамического давления, ставшее классическим приёмником воздушного давления для самолётов и вертолётов.

Весьма трудно представить времена, когда бы скромная наука гидродинамика, известная в кругу узких специалистов, внезапно приобрела всеобщий интерес. Но 6 октября 1924 года в Кильской бухте появилось необычное судно с двумя огромными трубами на носу и на корме, между которыми в районе миделя была установлена ажурная мачта.

Судно сразу же вызвало необычайный ажиотаж. Толпа, собравшаяся на берегу задавала себе один вопрос — почему эти мощные трубы не дымят? И вообще — трубы ли это? И, почему они быстро вращаются? Так встретили современники на рейде Киля первое в мире роторное судно Антона Флетнера «Букау».

«Букау» Антона Флеттнера

В те времена на смену парусному вооружению, несмотря на его постоянное совершенствование, уверенно шли паровые машины и двигатели внутреннего сгорания. Немецкий авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер давно занимался поисками достойной альтернативы громоздкой и дорогой парусной оснастке. Понимая преимущества использования энергии ветра, он хотел необычным путем избавиться от недостатков, присущих парусным судам.

Флеттнер вначале занимался металлическими парусами, подобными крыльям металлических аэропланов; паруса должны были устанавливаться по ветру автоматически при помощи вспомогательных рулей. Проблемой были сильные ветра. Металлические паруса нельзя собирать, но при помощи вспомогательных рулей они могут установиться точно в направлении ветра, не испытывая бокового давления. Но что делать, если во время бури вспомогательный руль потерпит аварию и останется в положении, соответствующем полному давлению на парус?!

Антон Флеттнер

Проблем было много, а решения не было. К тому же, при сравнении новых парусов со старыми; оказалось, что обычные паруса при правильной установке по ветру не так плохи, как склонны были думать; получавшиеся силы достигали 80 проц. величины, измеренной с металлическими парусами. Для выгодной замены старых парусов новыми нужно было делать металлические паруса чрезвычайно большими. Поэтому Флеттнер обратился к поискам другого выхода.

В 1923 году, брат Антона Флетнера, Андрей, познакомил его с опытами, проводившимися в то время аэродинамическим экспериментальным институтом Гёттингенского университета под руководством доктора Л. Прандля. Опыты над пограничным потоком, осуществлявшимися им с 1904 года, работы Лафе, опубликованные в 1912 году, привели доктора к изучению давно забытого эффекта Магнуса и позволили получить весьма обнадёживающие результаты, которыми заинтересовался А. Флетнер.

Купив моторный трёхмачтовый парусник «Букау», водоизмещением в 600 тонн, Флеттнер заменил 833 кв. м парусов на два ротора диаметром 2,8 м и высотой 15,6 мм, которые были выполнены из 1-1,5-мм стального листа и установлены на опорах. Частота их вращения на испытаниях достигала 144 об/мин.

В феврале 1925 года «Букау» прошёл долгий путь из Данцига в Шотландию через Северное море. Годом позже корабль, переименованный в «Баден-Баден», совершил рейс из Европы в Америку через Атлантический океан.

Barbara   Тогда же на верфи был заложен второй роторный корабль — грузовой лайнер «Барбара», приводимый в движение тремя 17-метровыми роторами. В конце 1920-х грянула Великая депрессия и в 1929 году и ее продали. Новый владелец снял роторы и переоборудовал корабль по традиционной схеме.

Flettner-Rotor-Schiff

Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль.» (журнал «Успехи физических наук» выпуск 1-2. 1925 г)

Роторный самолет Флеттнера Да, это знаменитый самолет конструкции Антона Флетенера

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.