Роторні вітрила Флеттнера та Кусто, Журнал Популярна Механіка
«Алкіону» фонд Кусто придбав у 1985 році, і розглядався цей корабель не стільки як дослідницький, скільки базою для вивчення ефективності турбопарусів — оригінального суднового рушія. А коли через одинадцять років легендарна «Каліпсо» затонула, «Алкіона» зайняла її місце як основне судно експедиції (до речі, сьогодні «Каліпсо» піднято і в напіврозграбованому стані стоїть у порту Конкарно).
Власне, турбопарус винайшов Кусто. Так само, як акваланг, підводне блюдце та ще безліч пристосувань для досліджень морських глибин та поверхні світового океану. Ідея народилася ще на початку вісімдесятих і полягала в тому, щоб створити максимально екологічний, але при цьому зручний та сучасний рушій для водоплавного засобу. Використання сили вітру представлялося найперспективнішим напрямом досліджень. Але ось невдача: вітрило людство придумало кілька тисяч років тому, а що може бути простіше та логічніше?
Звичайно, Кусто і компанія розуміли, що побудувати судно, яке рухається виключно вітрилом, неможливо. Точніше, можливо, але його ходові якості будуть дуже посередні та залежні від примх погоди та напряму вітру. Тому спочатку планувалося, що новий «вітрило» буде лише допоміжною силою, яка застосовується на допомогу звичайним дизельним двигунам. При цьому турбопарус помітно знизив витрати дизельного палива, а при сильному вітрі міг стати єдиним рушієм судна.
І погляд команди дослідників звернувся до минулого — до винаходу німецького інженера Антона Флеттнера, знаменитого авіаконструктора, який зробив серйозний внесок і в кораблебудування.
Ротор Флеттнера та 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 напрямку потоку і впливає на тіло. Справа в тому, що об'єкт, що обертається, створює навколо себе вихровий рух. З того боку об'єкта, де напрямок вихору збігається з напрямком потоку рідини чи газу, швидкість руху середовища зростає, а з протилежного падає. Різниця тисків і створює поперечну силу, спрямовану від боку, де напрямок обертання та напрямок потоку протилежні, до сторони, де вони збігаються.
Відкрив цей ефект 1852 року берлінський фізик Генріх Магнус. Один із його класичних дослідів виглядав так: «Латунний циліндр міг обертатися між двома вістрями; швидке обертання циліндра повідомлялося, як у вовчку, шнуром. Циліндр, що обертається, містився в рамі, яка в свою чергу легко могла повертатися. На цю систему пускався сильний струмінь повітря за допомогою маленького відцентрового насоса. Циліндр відхилявся в напрямку, перпендикулярному до повітряного струменя і до осі циліндра, при тому в той бік, з якого напрямки обертання та струменя були однакові» (Л.Прандтль, «Ефект Магнуса та вітряний корабель», 1925).
Власне, Флеттнер зробив досить просту річ. Він установив на метрову випробувальну шлюпку паперовий циліндр-ротор заввишки 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 внаслідок ефектуМагнуса, Флеттнер наважився переобладнати трищогла «Букау» в роторний корабель.
Ротори "Букау" оберталися від електродвигунів. Власне, жодної відмінності від класичних дослідів Магнуса у конструкції не було. З боку, де ротор обертався назустріч вітру, створювалася область підвищеного тиску, з протилежної зниженого. Результуюча сила та рухала судно. Більше того, ця сила 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 меншими, ніж площа вітрильного озброєння, яке давало б рівну рушійну силу. Ротором було набагато простіше керувати, та й у виробництві він був досить дешевий. Зверху Флеттнер накрив ротори площинами-тарілками - це збільшувало рушійну силу приблизно удвічі рахунок правильної орієнтації потоків повітря щодо ротора. Оптимальну висоту та діаметр ротора для «Букау» розрахували, продувши модель майбутнього судна в аеродинамічній трубі.
Ротор Флеттнер показав себе чудово. На відміну від звичайного вітрильного судна, роторний корабель практично не боявся негоди та сильних бічних вітрів, легко міг йти змінними галсами під кутом 25° до зустрічного вітру (для звичайного вітрила межа — близько 45°). Два циліндричні ротори (висота - 13,1 м, діаметр - 1,5 м) дозволили відмінно збалансувати судно - воно виявилося стійкіше вітрильника, яким Букау був до перебудови. Випробування суднапроводили і в штиль, і в шторм, і з навмисним перевантаженням — і жодних серйозних вад виявлено не було. Найбільш вигідним для руху судна був напрям вітру точно по перпендикуляру до осі судна, а напрям руху (вперед або назад) визначалося напрямом обертання роторів.
Але наприкінці двадцятих гримнула Велика Депресія. В 1929 чартерна компанія відмовилася від подальшої оренди «Барбари», і її продали. Новий власник зняв ротори та переобладнав корабель за традиційною схемою. Все-таки роторний рушій програвав гвинтовим рушіям у поєднанні зі звичайною дизельною силовою установкою через свою залежність від вітру і певні обмеження за потужністю і швидкохідністю. Флеттнер звернувся до перспективніших досліджень, а «Баден Баден» у результаті затонув під час шторму в Карибському морі 1931 року. І про роторні вітрила надовго забули…
Турбопарус Кусто
Вітрильники будувалися і протягом ХХ століття. У сучасних кораблях такого типу вітрильне озброєння згортається за допомогою електродвигунів, нові матеріали дозволяють помітно полегшити конструкцію. Але вітрильник вітрильником, а ідея використовувати енергію вітру кардинально новим способом витала у повітрі ще з часів Флеттнера. І її підхопив невтомний шукач пригод та дослідник Жак-Ів Кусто.
У поперечному перерізі турбопарус є чимось подібним до витягнутої і округленої з гострого кінця краплі. З боків «краплі» розташовані повітрозабірні грати, через одну з яких (залежно від необхідності руху вперед або назад) здійснюється відсмоктування повітря. Для максимально ефективного засмоктування вітру в повітрозабірник на турбопарусі встановлений невеликий вентилятор, що приводиться від електродвигуна. Він штучно підвищує швидкість рухуповітря з підвітряної сторони вітрила, всмоктуючи повітряний струмінь у момент її відриву від площини турбопарусу. Це створює розрідження з однієї із сторін турбопарусу, паралельно запобігаючи утворенню турбулентних вихорів. А далі діє ефект Магнуса: розрідження з одного боку, як результат – поперечна сила, здатна приводити судно у рух. Власне, турбопарус – це поставлене вертикально літакове крило; принаймні принцип створення рушійної сили схожий на принцип 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.
Власне, вперше Кусто випробував прототип турбопарусу на катамарані «Ветровий млин» (Moulin à Vent) у 1981 році. Найбільшим успішним плаванням катамарана була подорож з Танжера (Марокко) до Нью-Йорка — під наглядом більшого корабля експедиції.
І знову Флеттнер
Сьогодні робляться спроби відродити ідею Флеттнера та зробити роторні вітрила масовими. Наприклад, знаменита гамбурзька компанія Blohm & Voss розпочала активну розробку роторного танкера після нафтової кризи 1973 року — але до 1986 року економічні чинники «прикрили» цей проект. Потім була низка аматорських конструкцій; наприклад, у 2007 році студенти Фленсбурзького університету побудували катамаран, що рухається роторним вітрилом (Uni-cat Flensburg).
Судно обладнане чотирма роторами Флеттнера і, звичайно, традиційною силовою установкою на випадок безвітря та отримання додаткової потужності. Все-таки роторні вітрила є лише допоміжними рушіями — для 130-метрової вантажівки їх потужності обмаль, щоб розвивати належну швидкість. Двигунамислужать дев'ять силових установок Mitsubishi, а ротори обертаються за допомогою парової турбіни виробництва Siemens, що працює від газів, що відпрацювали. 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 надалі розвивати тему вітрил, які працюють на ефекті Магнуса. Головне – знайти цьому економічне обґрунтування та довести ефективність. А там, дивишся, і все світове судноплавство перейде на принцип, який талановитий німецький вчений описав понад 150 років тому.