Паруса ввиде колонн: эффект магнуса
- Неординарная популярность «Ветряной корабль Флеттнера у всех на устах благодаря очень ревностной газетной пропаганде», — писал Луи Прандтль в собственной статье о разработке германского инженера.
Турбопарусник Кусто На сегодня «Алкиона» есть уникальным судном с турбопарусом совокупности Кусто. Смерть великого океанографа во второй половине 90-ых годов двадцатого века поставила крест на постройке второго аналогичного корабля, «Калипсо II», а другие кораблестроители опасаются непривычной конструкции
- 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 канал Discovery. «Клодия» продемонстрировала себя поразительно маневренной: она останавливалась и включала задний движение за считанные секунды, вольно двигалась под углом порядка 15° к ветру.
- Заметное улучшение черт по отношению к классическому ротору Флеттнера обусловлено дополнительными поперечными дисками, установленными на передний и задний роторы тримарана.
Воздушные змеи Как ни необычно, и в наши дни в индустрии употребляются в полной мере привычные паруса. Судостроительные компании часто закладывают в проекты больших грузовиков и танкеров возможность установки такелажа и? парусного оружия.
- Известнейшим проектом есть германский транспортный корабль MS Beluga SkySails, построенный 1 января 2008 года. Приблизительно 15−20% мощности корабль развивает благодаря огромному воздушному змею площадью 160? м2, в? замыслах компании — повышение его до 320? м2. Змей укреплен на носу корабля на канате, его поведение контролируется компьютером. В большинстве случаев он парит на высоте порядка 100 м и на расстоянии около 500? м от корабля, наряду с этим тянет судно за собой.
- К 2013 году эксперты компании SkySails GmbH & Co. KG собираются оснастить собственной совокупностью около 400 судов — любой таковой «тюнинг» разрешит заметно сократить количество и расход топлива вредных выбросов в? воздух.
Яхту «Алкиона» фонд Кусто купил в? 1985 году, и рассматривался данный корабль не столько как исследовательский, сколько в качестве базы для изучения эффективности турбопарусов? — уникального судового движителя. А в то время, когда спустя 11? лет легендарная «Калипсо» затонула, «Алкиона» заняла ее место в качестве главного судна экспедиции (к слову, сейчас «Калипсо» поднята и в полуразграбленном состоянии стоит в порту Конкарно).
Фактически, турбопарус изобрел Кусто. Так же как акваланг, множество и подводное блюдце вторых приспособлений для изучения морских поверхности и глубин Мирового океана. Мысль появилась еще в? начале 1980-х и заключалась в? том, дабы создать максимально экологичный, но наряду с этим эргономичный и? современный движитель для водоплавающего средства. Применение силы ветра представлялось самоё перспективным направлением изучений.
Но вот незадача: парус человечество придумало пара тысяч лет назад, а что возможно несложнее и? логичнее?
Само собой разумеется, Кусто и компания осознавали, что выстроить судно, приводимое в перемещение только парусом, нереально. Правильнее, быть может, но его ходовые качества будут очень плохими и зависимыми от направления ветра и капризов погоды. Исходя из этого изначально планировалось, что новый «парус» будет только вспомогательной силой, применимой в помощь простым дизельным двигателям.
Наряду с этим турбопарус заметно снизил бы расход ДТ, а при сильном ветре имел возможность стать единственным движителем судна. И взор команды исследователей обратился в прошлое — к изобретению германского инженера Антона Флеттнера, известного авиаконструктора, внесшего важный вклад и в кораблестроение.
Ротор Флеттнера и эффект Магнуса
16 сентября 1922 года Антон Флеттнер взял германский патент на так именуемое роторное судно. А в октябре 1924 года экспериментальное роторное судно Buckau сошло со стапелей кораблестроительной компании Friedrich Krupp в Киле. Действительно, строилась шхуна не с нуля: до установки роторов Флеттнера она была простым парусным судном.
Мысль Флеттнера заключалась в? применении так именуемого результата Магнуса, сущность которого пребывает в следующем: в то время, когда воздушный (либо жидкостный) поток обтекает вращающееся тело, образуется сила, перпендикулярная направлению потока и? влияющая на тело. Дело в том, что поворачивающийся объект формирует около себя вихревое перемещение. С той стороны объекта, где направление вихря сходится с направлением потока жидкости либо газа, скорость перемещения среды растет, а с противоположной — падает.
Отличие давлений и формирует поперечную силу, направленную от стороны, где направление потока и направление вращения противоположны, к стороне, где они совпадают.
Открыл данный эффект в первой половине 50-ых годов девятнадцатого века берлинский физик Генрих Магнус. Один из его хороших опытов выглядел следующим образом: «Латунный цилиндр имел возможность вращаться между двумя остриями; стремительное вращение цилиндру сообщалось, как в волчке, шнуром. Поворачивающийся цилиндр помещался в раме, которая, со своей стороны, легко имела возможность поворачиваться.
На эту совокупность пускалась сильная струя воздуха при помощи мелкого 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 однообразны» (Л. Прандтль «Эффект Магнуса и ветряной корабль», 1925).
Фактически, Флеттнер сделал достаточно несложную 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 применения боковой силы, появляющейся в следствии результата Магнуса, Флеттнер решился переоборудовать трехмачтовик «Букау» в? роторный корабль.
Роторы «Букау» вращались от электродвигателей. Фактически, никакого отличия от хороших 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 приблизительно в 50 раз превышала силу давления ветра на неподвижный ротор!
Это открывало перед Флеттнером огромные возможности. Кроме всего другого, его масса и площадь ротора были многократно меньше, чем площадь парусного оружия, которое бы давало равную движущую силу. Ротором было существенно проще руководить, да и в производстве он был достаточно недорог.
Сверху Флеттнер накрыл роторы плоскостями-тарелками — это увеличивало движущую силу приблизительно вдвое за счет верной ориентации потоков воздуха относительно ротора. диаметр ротора и Оптимальную высоту для «Букау» вычислили, продув модель будущего судна в аэродинамической трубе.
Ротор Флеттнера продемонстрировал себя замечательно. В отличие от простого парусного судна, роторный корабль фактически не опасался непогоды и? сильных боковых ветров, легко имел возможность идти переменными галсами под углом 25? к? встречному ветру (для простого паруса предел около 45?). Два цилиндрических ротора (высота 13,1?м, диаметр 1,5?м) разрешили превосходно сбалансировать судно — оно выяснилось устойчивее парусника, которым «Букау» был до перестройки.
Опробования проводили и в штиль, и в шторм, и? с ?намеренной перегрузкой — и никаких больших недочётов распознано не было. самый выгодным для перемещения судна было направление ветра совершенно верно по перпендикуляру к оси судна, а направление перемещения (вперед либо назад) определялось направлением вращения роторов.
Уже в феврале 1925 года «Букау» удачно прошла продолжительный путь из Данцига в Шотландию через Северное море, а годом позднее 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 перемещение тремя 17-метровыми роторами.
Наряду с этим для каждого ротора хватало одного мелкого моторчика мощностью всего 35 л.с. (при большой скорости вращения каждого ротора 160 об/мин)! Тяга роторов была эквивалентна тяге винтового движителя вкупе с простым корабельным дизелем мощностью около 1000 л.с. Но, дизель на судне также наличествовал: в дополнение к роторам он приводил в перемещение винт (что оставался единственным движителем при безветренной погоды).
Но в конце 1920-х грянула Великая депрессия. Во второй половине 20-ых годов XX века чартерная компания отказалась от предстоящей аренды «Барбары», и ее реализовали. Новый обладатель снял роторы и переоборудовал корабль по классической схеме.
Все-таки ротор проигрывал винтовым движителям в сочетании с простой дизельной силовой установкой из-за собственной зависимости от определённых ограничений и ветра по быстроходности и мощности. Флеттнер обратился к более перспективным изучениям, а «Баден-Баден» в итоге затонул на протяжении шторма в Карибском море в? 1931 году. И о роторных парусах на долгое время забыли
Турбопарус
Кусто
Парусники строились и в течении XX века. В современных судах для того чтобы типа парусное оружие сворачивается посредством электромоторов, новые материалы разрешают заметно уменьшить конструкцию. Но парусник парусником, а мысль применять энергию ветра кардинально новым методом витала в воздухе еще со времен Флеттнера.
И ее подхватил исследователь и неутомимый искатель приключений Жак-Ив Кусто.
23 декабря 1986 года, уже по окончании того как упомянутая в начале статьи «Алкиона» была построена, Кусто и его коллеги Люсьен Малавар и? Бертран Шарье взяли совместный патент № US4630997 на «устройство, создающее силу при помощи применения движущейся жидкости либо газа». Неспециализированное описание звучит следующим образом: «Устройство помещается в? среду, движущуюся в? некоем направлении; наряду с этим появляется сила, действующая в направлении, перпендикулярном первому.
Устройство разрешает избежать применения массивных парусов, в которых движущая сила пропорциональна площади паруса». Чем же отличается турбопарус Кусто от роторного паруса Флеттнера?
В поперечном сечении турбопарус представляет собой что-то наподобие вытянутой и скругленной с острого финиша капли. По бокам «капли» расположены воздухозаборные решетки, через одну из которых (в зависимости от необходимости перемещения вперед либо назад) производится отсос воздуха. Для максимально действенного засасывания ветра в воздухозаборник на турбопарусе установлен маленький вентилятор, приводимый в перемещение электромотором.
Он искусственно повышает скорость перемещения воздуха с подветренной стороны паруса, всасывая воздушную струю в момент ее отрыва от плоскости турбопаруса. Это формирует разрежение с одной из сторон турбопаруса, в один момент предотвращая образование турбулентных вихрей. А дальше действует эффект Магнуса: разрежение с одной стороны, как следствие — поперечная сила, талантливая приводить судно в? перемещение.
Фактически, турбопарус — это поставленное вертикально самолетное крыло, по крайней мере принцип создания движущей силы схож с принципом создания подъемной силы самолета. Чтобы турбопарус всегда был повернут к? ветру самая выгодной стороной, он оборудован особыми датчиками и установлен на поворотной платформе. Кстати, патент Кусто подразумевает, что воздушное пространство может отсасываться изнутри турбопаруса не только вентилятором, но и, к? примеру, воздушным насосом ?- так Кусто прикрыл калитку для «изобретателей».
Фактически, в первый раз Кусто испытал прототип турбопаруса на катамаране «Ветряная мельница» (Moulin? Vent) в первой половине 80-ых годов XX века. Самым большим успешным плаванием катамарана было путешествие из Танжера (Марокко) в Нью-Йорк под присмотром более большого корабля экспедиции.
А в апреле 1985 года в порту Ла-Рошель была построена «Алкиона» — первый полноценный корабль, оборудованный турбопарусами. на данный момент она так же, как и прежде на ходу и на сегодня есть флагманом (и, по сути, единственным большим кораблем) флотилии команды Кусто. Турбопаруса на ней помогают не единственным движителем, но оказывают помощь простой сцепке из двух дизелей и
?нескольких винтов (что, кстати, разрешает сократить расход горючего приблизительно на треть). Будь великий океанограф жив, он бы, возможно, выстроил еще пара аналогичных судов, но энтузиазм его соратников по окончании ухода Кусто заметно дремал.
Незадолго до смерти во второй половине 90-ых годов двадцатого века Кусто деятельно прорабатывал проект судна «Калипсо II» с турбопарусом, но завершить его опоздал. По последним данным, зимний период 2011 года «Алкиона» стояла в порту Каен и ожидала новой экспедиции.
И опять Флеттнер
Сейчас предпринимаются попытки возродить идею Флеттнера и сделать роторные паруса массовыми. К примеру, известная гамбургская компания Blohm + Voss по окончании нефтяного кризиса 1973 года начала активную разработку роторного танкера, но к? 1986-му экономические факторы прикрыли данный проект. Позже был множество любительских конструкций.
В 2007 году студенты Фленсбургского университета выстроили катамаран, приводимый в? перемещение роторным парусом (Uni-cat Flensburg). В? 2010? году показался третий в истории корабль с роторными парусами ?- тяжелый грузовик E-Ship?1, что был выстроен по заказу компании Enercon, одного из наибольших производителей ветрогенераторов в мире. 6 июля 2010? года корабль был в первый раз построен и совершил маленькое плавание из Эмдена в Бремерхафен.
А уже в? августе он отправился в собственный первый рабочий вояж в Ирландию с? грузом из девяти ветрогенераторов. Судно оборудовано четырьмя роторами Флеттнера и,? само собой разумеется, классической силовой установкой на случай безветрия и для получения дополнительной мощности. Все-таки роторные паруса помогают только запасными движителями: для 130-метрового грузовика их мощности мало, дабы развивать должную скорость.
Двигателями помогают девять силовых установок Mitsubishi, а роторы вращаются посредством паровой турбины производства Siemens, применяющей энергию отработавших газов. Роторные паруса разрешают сэкономить от 30 до 40% топлива на скорости 16? узлов.
А вот турбопарус Кусто до тех пор пока остается в некоем забвении: «Алкиона» на сегодня — единственный полноразмерный корабль с таким типом движителя. Опыт германских кораблестроителей продемонстрирует, имеет ли суть и дальше развивать тему парусов, трудящихся на эффекте Магнуса. Основное — отыскать этому экономическое обоснование и доказать эффективность.
А в том месте, смотришь, и все мировое судоходство перейдет на принцип, что гениальный германский ученый обрисовал более 150 лет назад.
Статья «То ли мачта, то ли парус» размещена в издании «Популярная механика» (№101, март 2011).
<
h4>