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 «Альсіона». Дивлячись на неї, багато телеглядачів задавали собі питання: що це за дивні труби встановлені на яхті. Може бути це труби котлів або рухових установок. Яке ж може бути ваше здивування, якщо ви дізнаєтеся, що це ВІТРИЛА ... турбопаруса ...
Яхту «Альсіона» 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 11 років легендарна «Каліпсо» затонула, «Альсіона» 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 безліч інших пристосувань для дослідження морських глибин і поверхні Світового океану. Ідея народилася ще на початку 1980-х 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 посередніми і залежними 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.
Турбопарус являє собою порожнистий циліндр, забезпечений спеціальним насосом. Насос створює розрядження з одного боку турбопаруса, закачуючи повітря всередину вітрила, зовнішнє повітря починає текти навколо турбопаруса з різною швидкістю і корабель починає рухатися в перпендикулярному тиску повітря напрямку. Це дуже нагадує підйомну силу діючу на крило літака - знизу крила тиск більше і літак виштовхує нагору. Турбопарус дозволяє рухатися кораблю проти будь-якого вітру, аби вистачило потужності насоса. Застосовується як допоміжна система для звичайного судового двигуна. Два турбопаруса встановлені на кораблі команди Кусто «Алкион» дозволяли економити до 50% пального.
Ротор Флеттнера і ефект Магнуса
Ідея Флеттнера полягала у використанні так званого ефекту Магнуса, суть якого полягає в наступному: коли повітряний (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.
«Вітряний корабель Флеттнера у всіх на вустах завдяки надзвичайно ревною газетної пропаганди», - писав Луї Прандтль в своїй статті про розробку німецького інженера.
Відкрив цей ефект в 1852 році берлінський фізик Генріх Магнус.
Німецький авіаційний інженер і винахідник Антон Флеттнер (1885-1961) увійшов в історію мореплавання як людина, яка намагалася замінити вітрила. Йому довелося довго мандрувати на вітрильнику по Атлантичному і Індійському океанах. На щоглах вітрильних суден тієї епохи ставилося багато вітрил. Вітрильне оснащення було дорогим, складним, а в аеродинамічному відношенні не дуже ефективним. Постійні небезпеки підстерігали моряків, яким навіть під час шторму треба було займатися вітрилами на 40-50-метровій висоті.
Під час плавання у молодого інженера народилася думка замінити вітрила, що вимагають великих зусиль простішим, але ефективним пристроєм, основним рушієм якого також служив би вітер. Роздумуючи над цим, він згадав аеродинамічні досліди, проведені його співвітчизником фізиком Генріхом Густавом Магнусом (1802-1870). Ними було встановлено, що при обертанні циліндра в потоці повітря виникає поперечна сила з напрямком, що залежать від напрямку обертання циліндра (ефект Магнуса).
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, притому в ту сторону, з якої напряму обертання і струменя були однакові »(Л. Прандтль« Ефект Магнуса і вітряної корабель », 1925).
А.Флеттнер відразу подумав, що вітрила можна замінити встановленими на кораблі обертовими циліндрами.
Виявляється, що там, де поверхня циліндра рухається проти потоку повітря, швидкість вітру зменшується, а тиск - збільшується. З іншого боку циліндра все навпаки - швидкість повітряного потоку зростає, а тиск - падає. Ця різниця в тисках з різних сторін циліндра і є рушійною силою, яка змушує судно рухатися. Такий основний принцип дії роторного обладнання, яке використовує силу вітру для руху судна. Все дуже просто, проте тільки А.Флеттнер «не пройшов повз», хоча ефект Магнуса був відомий вже понад півстоліття.
До реалізації задуму він приступив у 1923 році на одному озері недалеко від Берліна. Власне, Флеттнер зробив досить просту річ. Він встановив на метрову випробувальну шлюпку паперовий циліндр-ротор висотою близько метра і діаметром 15 см, а для його обертання пристосував годинниковий механізм. І шлюпка попливла.
Капітани вітрильних суден насміхалися над циліндрами А.Флеттнера, якими він хотів замінити вітрила. Винахіднику вдалося зацікавити своїм винаходом заможних меценатів. У 1924 році на 54-метровій шхуні «Buckau» замість трьох щогл були змонтовані два роторних циліндра. Ці циліндри обертав дизельний генератор потужністю 45 л.с.
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 приблизно в 50 разів перевищувала силу тиску вітру на нерухомий ротор!
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 25º до зустрічному вітрі (для звичайного вітрила межа близько 45º). 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 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.
Під час цього плавання не було потрібно викликати на палубу членів команди, щоб вони змінювали вітрила в залежності від сили або напрямку вітру. Вистачило одного вахтового штурмана, який, не виходячи з рубки, міг керувати діяльністю роторів. Раніше команда трищогловий шхуни складалася як мінімум з 20 матросів, після її переробки в роторний корабель вистачило 10 осіб.
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).
Багатообіцяючі досліди спонукали судноплавну компанію «Rob.M.Sloman» з Гамбурга в 1926 році побудувати судно «Барбара». На ньому заздалегідь намічалося обладнати турбопаруса - ротори Флеттнера. На судні довжиною 90 м і шириною 13 м були змонтовані три ротора висотою близько 17 м.
«Барбара», як і планувалося, протягом деякого часу успішно перевозила фрукти з Італії в Гамбург. Приблизно 30-40% часу рейсу судно йшло завдяки силі вітру. При вітрі в 4-6 балів «Барбара» розвивала швидкість 13 вузлів.
Планувалося випробувати роторное судно в більш тривалих рейсах в Атлантичному океані.
Але в кінці 1920-х 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 ротор програвав гвинтовим рушіїв в поєднанні зі звичайною дизельною силовою установкою через свою залежність від вітру і певних обмежень по потужності і швидкохідності. 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 ...
Початок роторних судів, здавалося б, було достатньо успішним, але вони не отримали розвитку і надовго були забуті. Чому? По-перше, «батько» роторних судів А.Флеттнер занурився в створення вертольотів і перестав цікавитися морським транспортом. По-друге, незважаючи на всі свої переваги, роторні суду так і залишилися вітрильниками з притаманними їм недоліками, основний з яких - залежність від вітру.
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.
У поперечному перерізі турбопарус є чимось на зразок витягнутої і округлої з гострого кінця краплі. З боків «краплі» розташовані повітрозабірні грати, 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 в рух електромотором.
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, одночасно 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, принаймні принцип створення рушійної сили схожий з принципом створення підйомної сили літака. Для того щоб турбопарус завжди був повернений до вітру найбільш вигідною стороною, він обладнаний спеціальними датчиками і встановлений на поворотній платформі. До речі, патент Кусто на увазі, що повітря може відсмоктувати зсередини турбопаруса не тільки вентилятором, а й, наприклад, повітряним насосом - таким чином Кусто прикрив хвіртку для наступних «винахідників».
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.
Сьогодні робляться спроби відродити ідею Флеттнера і зробити роторні вітрила масовими. Наприклад, знаменита гамбургська компанія Blohm + Voss після нафтової кризи 1973 року почала активну розробку роторного танкера, але до 1986 му економічні чинники прикрили цей проект. Потім був цілий ряд аматорських конструкцій.
А ось турбопарус Кусто поки залишається в деякому забутті: «Алкіона» 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.
Розташована в Сінгапурі судопромишленная компанія «Wind Again», що займається створенням технологій по зниженню витрати палива і викидів, пропонує встановлювати на танкерах і вантажних судах ротори Флеттнера особливої конструкції (складні). Вони дозволять скоротити витрату палива на 30-40% і окупляться за 3-5 років.
Діюча в Фінляндії компанія морської інженерії «Wartsila» вже планує пристосувати турбопаруса і на круїзних поромах. Це пов'язано з прагненням фінського поромного оператора «Viking Line» скорочувати витрату палива і забруднення навколишнього середовища.
Використання роторів Флеттнера на прогулянкових судах вивчає університет Фленсбурга (Німеччина). Схоже, що ростуть ціни на нафту і викликає тривогу потепління клімату створюють сприятливі умови для повернення вітряних рушіїв.
