Эту интересную модель роторной яхты предложили построить своим читателям наши друзья и коллеги из венгерского журнала «Эзермештер». Попробуйте сделать ее и вы.
Обычный парус знаком всем. Ветер надувает его, создавая движущую силу. А роторный парус, который вы видите на рисунках, передает усилие на винт, работая как двигатель. У этого паруса есть недостаток: модель яхты, оборудованная им, не может развить такую скорость, как с обычным парусом. Зато есть и преимущества: во-первых, отпадает необходимость «ловить ветер», меняя положение паруса; во-вторых, яхта практически одинаково ходит под любым углом к ветру и даже прямо против ветра.
Ротор устанавливается на яхте вертикально. Вращаясь под напором ветра, он через шесте
ренчатую пару приводит в движение вал гребного винта.
Конструкцию корпуса яхты выберите сами. Длина судна при указанных размерах ротора - не больше 700 мм. Ие выдалбливайте корпус из цельного куска дерева - он получится слишком тяжелым. Изготовьте легкий и прочный каркас и обшейте его фанерным шпоном. Изнутри шпон оклейте бумагой (она предохранит фанеру от растрескивания) и покройте водостойким лаком.
Чтобы яхта не опрокидывалась, оснастите ее швертом с грузом. На корме установите руль - его положение должно фиксироваться.
Лопасти ротора изогните из миллиметровой бальзы или фанеры толщиной 0,6 мм. Диски изготовьте из фанеры толщиной 1-1,5 мм. Ротор должен свободно вращаться на вертикально установленной спице.
После того как вам удастся построить и испытать яхту с роторным парусом, попробуйте поэкспериментировать, меняя высоту и диаметр ротора, форму его лопастей, величину винта. Быть может, вам удастся увеличить скорость яхты, улучшить ее устойчивость.
Полезные сокты
Полиэтиленовую пленку можно соединить так: зажмите два куска пленки между металлическими пластинками, чтобы края слегка выступали, и проведите горящей спичкой. Шов сварен.
Ваш младший братишка, который делает первые шаги, с трудом сохраняет равновесие на скользком паркете. Приклейте к подошвам пинеток две тонкие полоски резины вдоль ступни - и ребенок может смело ходить по натертому полу.
Небольшой постоянный магнит вставьте в тыльную часть рукоятки молотка. Теперь вам несложно будет после окончания работы собрать рассыпанные гвозди.
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.
Шхуна «Букау» с роторными парусами
Впервые роторные турбопаруса немецкого инженера Антона Флеттнера были успешно испытаны на шхуне «Букау» в 1924 году .
В 1980-х годах более сложная форма турбопаруса была разработана французскими инженерами под руководством океанолога Жака-Ива Кусто . Наиболее успешно она применялась на судне «Алсион ».
Техническая конструкция
Концепция
Эффективность системы, однако, до сих пор не подвергалась обстоятельному сравнительному анализу. Система Турбопарус успешно действовала только на двух судах, и группа Кусто - единственная в мире организация, располагающая большим объёмом данных об этом устройстве. Страница, посвящённая «Алсиону» на сайте Команды Кусто , сообщает, что Турбопарус способен обеспечить экономию до 35 % горючего .
Раннее развитие (1981-1982) : «Moulin à Vent»
Кусто и его исследовательская команда установили своё изобретение на катамаран под названием «Moulin à Vent» (с фр. - «ветряная мельница») и опробовали систему в плавании из Танжера в Нью-Йорк . Переход подходил к концу, когда недалеко от американского берега судну пришлось столкнуться с ветрами, скорость которых превышала 50 узлов . Сварные швы , удерживавшие турбопарус в вертикальном положении, лопнули, и прототип рухнул в море.
Прототип системы состоял из единственной трубы, выкрашенной в тёмно-синий цвет. 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».
«Алсион»
Кусто использовал приобретённый опыт при постройке нового судна. Совместно с инженерами-судостроителями он разработал алюминиевый корпус, прочный и лёгкий. Кормовая часть, аналогичная катамарану, придавала судну стабильность, а одиночный нос был заложен в конструкцию, чтобы разрезать волны и облегчать движение в бурном море. Два турбопаруса были установлены на палубе, а два дизельных двигателя давали питание нагнетателям. Судно было названо по имени Алкионы , дочери древнегреческого бога ветров Эола .
При постройке «Алсиона» (начатой в 1985 году) учитывались результаты работы с «Moulin a Vent». С использованием двух турбопарусов с уменьшенным соотношением сторон нагрузки на металл поверхностей значительно уменьшились. Оба паруса включали также осевые турбины для выработки энергии, а управление системой осуществляли компьютеры, подешевевшие к тому времени. Компьютеры координировали работу турбопарусов и дизелей, запуская последние, когда ветер полностью стихал, и останавливая их при достаточной скорости ветра. Для управления судном достаточно было всего 5 человек.
В 1980-х годах Кусто сделал «Алсион» флагманским судном своей группы и основной плавучей базой для исследований. Судно обошло вокруг света, собирая информацию об использовании турбопаруса в различных погодных условиях, полностью подтверждая при этом замысел создателей.
После двух независимых испытаний в Северном море, финская компания Norsepower, которая занимается разработкой и производством роторных «парусов” для кораблей, подтвердила экономию топлива от 5 до 20%. Технология называется Rotor Sail Solution и является модернизированной версией ротора Флеттнера.
Во время работы турбопаруса цилиндр вращается вокруг своей оси. В основе работы двигателя лежит физическое явление, при котором поток воздуха, обтекающий вращающееся тело, создает дополнительную силу.
В компании утверждают, что технология позволяет экономить до 20% топлива в год, в зависимости от погодных условий.
Первые испытания роторных парусов проходили в конце 2014 года. Судно эксплуатировалось в непрерывном режиме между Нидерландами и Великобританией по Северному морю со скоростью 16 узлов.
Технический исследовательский центр Финляндии собирал данные в течение шести месяцев, в течение которого роторный парус функционировал 99% времени. Результаты подтвердили, что роторный парус способен производить большое количество тяговой силы, что обеспечивает значительную экономию топлива. 
“Успешные испытания нашей ветровой являются новаторским моментом не только для Norsepower, а также более широкое развитие ветровой силовой технологии для судоходства. Полученные результаты свидетельствуют о том, что, когда технология Norsepower осуществляется в масштабе, она может производить до 20% чистой экономии расходов на топливо с периодом окупаемости менее чем за четыре года в текущих ценах на топливо, подтверждая, что ветряные технологии - это коммерчески жизнеспособные решения, которые снижают
Научно-исследовательское судно «CALYPSO » благополучно пережило штормы и бури. Тридцать пять лет оно противостояло свирепому натиску волн и ветру. Этот корабль спасал в бушующем океане терпящих кораблекрушение и снимал экипажи с тонущих судов. Жак Ив Кусто мечтал о полезном использовании силы ветра. Капитан Кусто мечтал, чтобы ветер стал его союзником. Во время плаваний по Тихому океану Жак Ив Кусто использовал морское парусное судно. Именно тогда исследователю и мореплавателю и пришла в голову идея отказаться от традиционного паруса и разработать новую конструкцию из металла. В городке La-Rochelle капитан Кусто приступил к созданию нового типа.
научно-исследовательское судно «Calypso»
Жак Ив Кусто посвятил свой талант исследованиям морских глубин, но в какой-то момент он решил покорить своей волей Бога ветров Еолла. Человек всегда хотел плавать по морю, он строил . Сначала просто на веслах, потом на паруснике, затем на угле и дизельном топливе, сейчас на атомной энергетической установке. Однако сейчас наступило время для появления принципиально новых типов экологически безопасных судов. И таким необычным судном стали корабли изобретенные Кусто.
океанское судно «MOULIN A VENT»
Жак Ив Кусто пришел к выводу, что созданная им установка должна значительно превосходить по эффективности традиционные виды парусов. Особенностью , что создал Кусто является парус, вместо которого установлена полая аэродинамическая колонна, позволяющая эффективно использовать силу ветра.
Первый проект Жак Ив Кусто осуществил 12 октября 1983 год. Судно «MOULIN A VENT » было спущено на воду, и команда Кусто вышла в море для проведения испытаний, в результате которых проверялась теория на практике. Основой стал корпус катамарана, на палубах которого была установлена платформа с турбодвигателем парусного типа. Вся операция по изменению угла наклона, площади паруса выполнялась с капитанского мостика при помощи нажатия клавиш электроприводов. Название судна «MOULIN A VENT » означает сорт вина «Ветряная мельница», который любила вся команда Кусто . С обеих сторон полой аэродинамической колонны располагаются металлические сетки с переменным углом наклона выполненные в форме полукружий обеспечиваемые высокую сопротивляемость потоку ветра внутри трубы.
внутри аэродинамической трубы
За счет силы ветра при выключенной вентиляторной установке такая конструкция даже в пассивном состоянии в 2 раза эффективнее, чем простой парус. При подаче воздуха через нагнетательную установку эффективность становиться еще больше. Внутри колонны полностью исключается возникновение встречных воздушных потоков, уменьшающих эффективность парусов.
Эффективность установки не заставила себя долго ждать, при скорости ветра 30 узлов судно развивало скорость 11 узлов. Но вскоре труба не выдержала сильных штормов Атлантического океана и надломилась, к счастью без последствий. Причиной разрушения колонны стали разболтанность крепежа и неустойчивость старого .
гидрографическое судно «Alcyone»
«Alcyone»
«Alcyone» в Канаде
«Alcyone»
«Alcy one» в море
«Alcyone» в порту
Жак Ив Кусто решил не останавливаться на уже положительном результате, и он создал в мае 1985 года еще одно судно под названием «ALCYONE ». Океанское судно было названо в честь дочери греческого бога ветра. Второй проект корабля тоже оснащен аэродинамической установкой. С учетом прежних проб и ошибок на новое океанское судно были установлены две колонны. Испытания проходили по маршруту порт Ла-Рошель - Нью-Йорк.
Жак Ив Кусто
капитан Кусто
Корпус гидрографического судна был выполнен из алюминия, что позволило снизить качку. С капитанского мостика можно управлять работой всего оборудования и самое главное изменять угол наклона установки. Бортовой компьютер позволяет анализировать ее работу.
