F л = 2M | V | | Ω | sin α, где α - угол между векторами.

Скорость тела, двигающегося на поверхности земного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из них лежит в плоскости, касательной к шару в точке нахождения тела, иными словами - горизонтальная составляющая скорости: вторая, вертикальная составляющая перпендикулярна этой плоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусу географической широты его местонахождения. На тело, движущееся по меридиану в любом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленная вправо по движению. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рек Северного полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. В Южном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явление называется законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением, сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла между направлением течения реки и меридианом.

Практически во всех исследованиях, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно сила Кориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекторию их передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовала в создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение - по часовой стрелке, а в Южном - левое, то есть против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовой стрелки, а Южного полушария - вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того - прямо ей противоположно. Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусу географической широты и, значит, максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разных масштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, что полностью противоречит имеющимся данным.

Таким образом, приведённый анализ убедительно доказывает, что сила Кориолиса не имеет никакого отношения к процессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, механизмы образования которых рассмотрены в предыдущих главах.

Считается, что именно сила Кориолиса определяет их траектории, тем более что в Северном полушарии тайфуны, как метеорологические образования, при своём движении отклоняются именно вправо, а в Южном - именно влево, что соответствует направлению действия силы Кориолиса в этих полушариях. Казалось бы, причина отклонения траекторий тайфунов найдена - это сила Кориолиса, но не будем торопиться с выводами. Как говорилось выше, при движении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будет действовать сила Кориолиса, равная:

F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)

где θ - географическая широта тайфуна; α - угол между вектором скорости тайфуна, как единого целого, и меридианом.

Для выяснения истинной причины отклонения траекторий тайфунов попробуем определить величину силы Кориолиса, действующей на тайфун, и сравнить её с другой, как мы сейчас убедимся, более реальной силой.

СИЛА МАГНУСА

На тайфун, перемещаемый пассатом, будет действовать сила, которую в данном контексте, насколько это известно автору, до сих пор не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна, как единого объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Если посмотреть на рисунок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что они движутся с востока на запад под действием постоянно дующих тропических ветров, пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При этом пассат не только переносит тайфун с востока на запад. Самое главное - на тайфун, находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушных потоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.

Эффект возникновения поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа, был открыт немецким учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, что если вращающийся круговой цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток, перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость его поверхности противоположна скорости набегающего потока, возникает область повышенного давления. А на противоположной стороне, там, где направление линейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, - область пониженного давления. Разность давлений на противоположных сторонах цилиндра и приводит к возникновению силы Магнуса.

Изобретатели предпринимали попытки использовать силу Магнуса. Был спроектирован, запатентован и построен корабль, на котором вместо парусов установили вертикальные цилиндры, вращаемые двигателями. Эффективность таких вращающихся цилиндрических «парусов» в некоторых случаях даже превосходила эффективность парусов обычных. Эффект Магнуса используют также футболисты, которые знают, что если при ударе по мячу придать ему вращательное движение, то траектория его полёта станет криволинейной. Таким ударом, который называется «сухой лист», можно послать мяч в ворота противника практически с угла футбольного поля, находящегося на одной линии с воротами. Мяч при ударе закручивают и волейболисты, теннисисты, и игроки в пинг-понг. Во всех случаях движение закрученного мяча по сложной траектории создает немало проблем противнику.

Однако вернёмся к тайфуну, перемещаемому пассатом.

Пассаты, устойчивые воздушные течения (дуют постоянно больше десяти месяцев в году) в тропических широтах океанов, охватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном - до 20 процентов. Основное направление пассатов - с востока на запад, однако на высоте 1-2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие к экватору. В результате в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а в Южном

На северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первой экспедиции Колумба (1492-1493), когда её участники были поражены устойчивостью сильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании через тропические районы Атлантики.

Гигантскую массу тайфуна можно рассматривать как цилиндр, вращающийся в воздушном потоке пассата. Как уже говорилось, в Южном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Северном - против. Поэтому за счёт взаимодействия с мощным потоком пассатного ветра тайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора - на север и на юг соответственно. Этот характер их движения хорошо подтверждают наблюдения метеорологов.

(Окончание следует.)

Подробности для любознательных

ЗАКОН АМПЕРА

В 1920 году французский физик Анре Мари Ампер экспериментально обнаружил новое явление - взаимодействие двух проводников с током. Оказалось, что два параллельных проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Проводники стремятся сблизиться, если токи текут в одном направлении (параллельны), и удалиться один от другого, если токи текут в противоположных направлениях (антипараллельны). Ампер сумел правильно объяснить это явление: происходит взаимодействие магнитных полей токов, которое определяется по «правилу буравчика». Если буравчик ввинчивать по направлению тока I, движение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля H.

Две заряженные частицы, летящие параллельно, тоже образуют электрический ток. Поэтому их траектории будут сходиться или расходиться в зависимости от знака заряда частиц и направления их движения.

Взаимодействие проводников приходится учитывать при конструировании сильноточных электрических катушек (соленоидов) - параллельные токи, текущие по их виткам, создают большие силы, сжимающие катушку. Известны случаи, когда громоотвод, сделанный из трубки, после удара молнии превращался в цилиндрик: его сжимают магнитные поля тока разряда молнии силой в сотни килоампер.

На основе закона Ампера установлен эталон единицы силы тока в СИ - ампер (А). Государственный стандарт «Единицы физических величин» даёт определение:

«Ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 . 10 -7 Н».

Подробности для любознательных

СИЛЫ МАГНУСА И КОРИОЛИСА

Сравним действие сил Магнуса и Кориолиса на тайфун, представив его в первом приближении в виде вращающегося воздушного цилиндра, обтекаемого пассатом. На такой цилиндр действует сила Магнуса, равная:

F м = DρHV n V m / 2, (22)

где D - диаметр тайфуна; ρ - плотность воздуха пассата; H- его высота; V n >- скорость воздуха в пассате; V т - линейная скорость воздуха в тайфуне. Путём несложных преобразований получим

Fм = R 2 HρωV n , - (23)

где R - радиус тайфуна; ω - угловая скорость вращения тайфуна.

Принимая в первом приближении, что плотность воздуха пассата равна плотности воздуха в тайфуне, получим

М т = R 2 Hρ, - (24)

где M т - масса тайфуна.

Тогда (19) можно записать в виде

F м = M т ωV п - (25)

или F м = M т V п V т /R. (26)

Разделив выражение для силы Магнуса на выражение (17) для силы Кориолиса, получим

F м /F к = M т V п V т /2RМV п Ω sinθ cosα (27)

или F м /F к = V т /2RΩ sinθ cosα (28)

Принимая во внимание, что согласно международной классификации тайфуном считается тропический циклон, скорость ветра в котором превышает 34 м/с, примем в расчётах эту наименьшую цифру. Поскольку географическая широта, максимально благоприятная для образования тайфунов, составляет 16 о, примем θ = 16 о и, поскольку сразу же после образования тайфуны движутся практически по широтным траекториям, примем α = 80 о. Радиус тайфуна средних размеров примем 150 километров. Подставив все данные в формулу, получим

F м /F к = 205. (29)

Иными словами, сила Магнуса превышает силу Кориолиса в двести раз! Таким образом, ясно, что сила Кориолиса не имеет отношения не только к процессу создания тайфуна, но и к изменению его траектории.

На тайфун, находяшийся в пассате, будут действовать две силы - вышеупомянутая сила Магнуса и сила аэродинамического давления пассата на тайфун, которую можно найти из простого уравнения

F д = KRHρV 2 п, - (30)

где К - коэффициент аэродинамического сопротивления тайфуна.

Нетрудно видеть, что движение тайфуна будет обусловлено действием результирующей силы, являющейся суммой сил Магнуса и аэродинамического давления, которая будет действовать под углом р к направлению движения воздуха в пассате. Тангенс этого угла найдётся из уравнения

tgβ = F m /F д. (31)

Подставив в (31) выражения (26) и (30), после несложных преобразований получим

tgβ = V т /КV п, (32)

Понятно, что результирующая сила F р, действующая на тайфун, будет касательной к его траектории, и если известны направление и скорость пассатного ветра, то можно будет с достаточной точностью вычислить эту силу для конкретного тайфуна, определив, таким образом, его дальнейшую траекторию, что позволит минимизировать ущерб, наносимый им. Траектория тайфуна может быть спрогнозирована пошаговым методом, при этом вероятное направление результирующей силы должно вычисляться в каждой точке его траектории.

В векторном виде выражение (25) выглядит так:

F м = M[ωV п ] . (33)

Нетрудно видеть, что формула, описывающая силу Магнуса, структурно идентична с формулой силы Лоренца:

F л = q .

Сопоставляя и анализируя эти формулы, замечаем, что структурное сходство формул достаточно глубоко. Так, левые части обоих векторных произведений (Мω и qV ) характеризуют параметры объектов (тайфуна и элементарной частицы), а правые части (V п и B ) - среды (скорость пассата и индукцию магнитного поля).

Физпрактикум

СИЛЫ КОРИОЛИСА НА ПРОИГРЫВАТЕЛЕ

Во вращающейся системе координат, например на поверхности земного шара, законы Ньютона не выполняются - такая система координат неинерциальна. В ней появляется добавочная сила инерции, которая зависит от линейной скорости тела и угловой скорости системы. Она перпендикулярна траектории движения тела (и его скорости) и называется силой Кориолиса, по имени французского механика Густава Гаспара Кориолиса (1792-1843), который эту добавочную силу объяснил и рассчитал. Сила направлена так, что для совмещения с вектором скорости её нужно повернуть на прямой угол в сторону вращения системы.

Увидеть, как «работает» сила Кориолиса, можно при помощи электрического проигрывателя для пластинок, поставив два несложных опыта. Для их проведения вырежьте из плотной бумаги или картона кружок и положите его на диск. Он будет служить вращающейся системой координат. Сразу сделаем замечание: диск проигрывателя вращается по часовой стрелке, а Земля - против. Поэтому силы на нашей модели будут направлены в сторону, противоположную наблюдаемым на Земле в нашем полушарии.

1. Сложите рядом с проигрывателем две стопки книг, чуть выше его диска. На книги положите линейку или прямую планку так, чтобы один её край приходился на диаметр диска. Если при неподвижном диске провести вдоль планки линию мягким карандашом, от его центра к краю, то она, естественно, будет прямой. Если же теперь запустить проигрыватель и провести карандаш вдоль планки, он начертит криволинейную траекторию, уходящую влево, - в полном согласии с законом, рассчитанным Г. Кориолисом.

2. Постройте из стопок книг горку и приклейте к ней скотчем жёлоб из плотной бумаги, ориентированный по диаметру диска. Если скатить небольшой шарик по жёлобу на неподвижный диск, он покатится по диаметру. А на вращающемся диске он станет уходить влево (если, конечно, трение при его качении будет невелико).

Физпрактикум

ЭФФЕКТ МАГНУСА НА СТОЛЕ И В ВОЗДУХЕ

1. Склейте из плотной бумаги небольшой цилиндр. Недалеко от края стола поставьте стопку книг и соедините её с краем стола дощечкой. Когда бумажный цилиндрик скатится с получившейся горки, мы вправе ожидать, что он станет двигаться по параболе прочь от стола. Однако вместо этого цилиндрик круто изогнёт траекторию в другую сторону и залетит под стол!

Его парадоксальное поведение вполне объяснимо, если вспомнить закон Бернулли: внутреннее давление в потоке газа или жидкости становится тем меньше, чем выше скорость потока. Именно на основе этого явления работает, например, пульверизатор: более высокое атмосферное давление выжимает жидкость в поток воздуха с пониженным давлением.

Интересно, что закону Бернулли в какой-то степени подчиняются и людские потоки. В метро, у входа на эскалатор, где движение затруднено, люди собираются в плотную, сильно сжатую толпу. А на быстро идущем эскалаторе они стоят свободно - «внутреннее давление» в потоке пассажиров падает.

Когда цилиндрик падает, продолжая вращаться, скорость его правой стороны вычитается из скорости набегающего потока воздуха, а скорость левой - складывается с ней. Относительная скорость потока воздуха слева от цилиндра больше, а давление в нём ниже, чем справа. Разность давлений и заставляет цилидрик круто изменять траекторию и залетать под стол.

Законы Кориолиса и Магнуса учитывают при запуске ракет, точной стрельбе на дальние расстояния, расчёте турбин, гироскопов и пр.

Глядя на нее, многие телезрители задавали себе вопрос: что это за странные трубы установлены на яхте?.. Может быть это трубы котлов или двигательных установок? Каково же может быть ваше изумление, если вы узнаете, что это ПАРУСА … турбопаруса …

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.

Турбопарус представляет собой полый цилиндр, снабженный специальным насосом. Насос создает разряжение с одной стороны турбопаруса, закачивая воздух внутрь паруса, наружный воздух начинает течь вокруг турбопаруса с разной скоростью и корабль начинает двигаться в перпендикулярном давлению воздуха направлении. Это очень напоминает подъемную силу действующую на крыло самолета - снизу крыла давление больше и самолет выталкивает вверх. Турбопарус позволяет двигаться кораблю против любого ветра, лишь бы хватило мощности насоса. Применяется как вспомогательная система для обычного судового двигателя. Два турбопаруса установленные на корабле команды Кусто «Алкион» позволяли экономить до 50% горючего.

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.

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

Открыл этот эффект в 1852 году берлинский физик Генрих Магнус.

Эффект Магнуса

Германский авиационный инженер и изобретатель Антон Флеттнер (1885–1961) вошел в историю мореплавания как человек, пытавшийся заменить паруса. Ему довелось долго странствовать на паруснике по Атлантическому и Индийскому океанам. На мачтах парусных судов той эпохи ставилось много парусов. Парусное оснащение было дорогостоящим, сложным, а в аэродинамическом отношении не слишком эффективным. Постоянные опасности подстерегали моряков, которым даже во время шторма надо было заниматься парусами на 40–50-метровой высоте.

Во время плавания у молодого инженера родилась мысль заменить паруса, требующие больших усилий более простым, но эффективным устройством, основным движителем которого также служил бы ветер. Раздумывая над этим, он вспомнил аэродинамические опыты, проводимые его соотечественником физиком Генрихом Густавом Магнусом (1802–1870). Ими было установлено, что при вращении цилиндра в потоке воздуха возникает поперечная сила с направлением, зависящим от направления вращения цилиндра (эффект Магнуса).

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).

А.Флеттнер сразу подумал, что паруса можно заменить установленными на корабле вращающимися цилиндрами.

Оказывается, что там, где поверхность цилиндра движется против потока воздуха, скорость ветра уменьшается, а давление – увеличивается. С другой стороны цилиндра все наоборот – скорость воздушного потока возрастает, а давление – падает. Эта разница в давлениях с разных сторон цилиндра и является движущей силой, которая заставляет судно двигаться. Таков основной принцип действия роторного оборудования, которое использует силу ветра для движения судна. Все очень просто, однако только А.Флеттнер «не прошел мимо», хотя эффект Магнуса был известен уже более полувека.

К реализации замысла он приступил в 1923 году на одном озере недалеко от Берлина. 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.

Капитаны парусных судов насмехались над цилиндрами А.Флеттнера, которыми он хотел заменить паруса. Изобретателю удалось заинтересовать своим изобретением состоятельных меценатов. В 1924 году на 54-метровой шхуне «Buckau» вместо трех мачт были смонтированы два роторных цилиндра. Эти цилиндры вращал дизельный генератор мощностью 45 л.с.

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.

Турбопарусник Кусто - На 2011 год «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…

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 25º к встречному ветру (для обычного паруса предел около 45º). 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 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.

В середине февраля 1925 г. шхуна «Buckau», вместо парусов снабженная роторами Флеттнера, вышла из Данцига (ныне – Гданьск) в Шотландию. Погода была плохой, а большинство парусников не осмеливались выходить из портов. В Северном море «Buckau» пришлось серьезно сразиться с сильными ветрами и большими волнами, однако шхуна накренялась на борт меньше, чем другие встреченные парусники.

Во время этого плавания не требовалось вызывать на палубу членов команды, чтобы они меняли паруса в зависимости от силы или направления ветра. Хватило одного вахтенного штурмана, который, не выходя из рубки, мог управлять деятельностью роторов. Раньше команда трехмачтовой шхуны состояла как минимум из 20 матросов, после ее переделки в роторный корабль хватило 10 человек.

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).

Многообещающие опыты побудили судоходную компанию «Rob.M.Sloman» из Гамбурга в 1926 году построить судно «Барбара». На нем заранее намечалось оборудовать турбопаруса – роторы Флеттнера. На судне длиной 90 м и шириной 13 м были смонтированы три ротора высотой около 17 м.

«Барбара», как и планировалось, в течение некоторого времени успешно перевозила фрукты из Италии в Гамбург. Примерно 30–40 % времени рейса судно шло благодаря силе ветра. При ветре в 4–6 баллов «Барбара» развивала скорость 13 узлов.

Планировалось испытать роторное судно в более длительных рейсах в Атлантическом океане.

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…

Начало роторных судов, казалось бы, было достаточно успешным, но они не получили развития и надолго были забыты. Почему? Во-первых, «отец» роторных судов А.Флеттнер погрузился в создание вертолетов и перестал интересоваться морским транспортом. Во-вторых, несмотря на все свои преимущества, роторные суда так и остались парусниками с присущими им недостатками, основной из которых – зависимость от ветра.

Роторами Флеттнера снова заинтересовались в 80-х годах ХХ в., когда ученые начали предлагать различные меры по смягчению потепления климата, снижению загрязнения, более рациональному расходованию топлива. Одним из первых о них вспомнил исследователь глубин француз Жак-Ив Кусто (1910–1997). Для испытания работы системы турбопарусов и снижения расхода дорожающего топлива двухмачтовый катамаран «Alcyone» (Алкиона – дочь бога ветров Эола) был переделан в роторное судно. Выйдя в морское плавание в 1985 году, он побывал в Канаде и Америке, обогнул мыс Горн, обошел Австралию и Индонезию, Мадагаскар и Южную Африку. Был перенесен в Каспийское море, где проплавал три месяца, занимаясь различными исследованиями. «Alcyone» до сих пор использует два разных движителя – два дизельных двигателя и два турбопаруса.

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 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 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-Ship 1, 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.

В Северном море в 2010 году можно было увидеть странное судно «E-Ship 1». На его верхней палубе возвышаются четыре высоких округлых трубы, однако из них никогда не клубится дым. Это – так называемые роторы Флеттнера, пришедшие на смену традиционным парусам.

Крупнейший в мире производитель ветряных силовых установок «Enercon» 2 августа 2010 спустил на воду на судоверфи Линденау в Киле 130-метровое роторное судно шириной 22 м, которое позднее было названо «E-Ship 1». Потом оно успешно было испытано в Северном и Средиземном морях, и в настоящее время перевозит ветряные генераторы из Германии, где их производят, в другие страны Европы. Оно развивает скорость в 17 узлов (32 км/час), одновременно перевозит более 9 тыс. тонн груза, его экипаж – 15 человек.

Расположенная в Сингапуре судопромышленная компания «Wind Again», занимающаяся созданием технологий по снижению расхода топлива и выбросов, предлагает устанавливать на танкерах и грузовых судах роторы Флеттнера особой конструкции (складные). Они позволят сократить расход топлива на 30–40 % и окупятся за 3–5 лет.

Действующая в Финляндии компания морской инженерии «Wartsila» уже планирует приспособить турбопаруса и на круизных паромах. Это связано со стремлением финского паромного оператора «Viking Line» сокращать расход топлива и загрязнение окружающей среды.

Использование роторов Флеттнера на прогулочных судах изучает университет Фленсбурга (Германия). Похоже, растущие цены на нефть и вызывающее тревогу потепление климата создают благоприятные условия для возвращения ветряных движителей.

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.

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.

мотопарусная "Barbara" (кликабельно )

После того, как первое, совсем еще экспериментальное судно с роторными парусами системы Антона Флеттнера "Buckau" показало близкие к расчетным параметры - немецкие военные моряки заказали промышленности еще одно судно, но на сей раз уже полноценный транспортник, чтобы оценить его в реальной коммерческой эксплуатации. И в 1926 году на воду было спущено судно "Барбара".

Спуск на воду уникального судна

Первоначальный проект предполагал один ротор высотой 28(!) и диаметром около семи метров. Но, к счастью, в доступности не нашлось подшипников требуемого размера. Т.е., они были - но только подшипники скольжения, а они не подходили по уровню потерь. Поэтому пришлось исходить из имеющегося - и поставить целых три алюминиевых ротора высотой по 17 метров и диаметром в 4 метра. Каждый из них был подвешен на двух подшипниках, в основании и на 2/3 высоты.

Вращение им обеспечивали электродвигатели мощностью по 41 л.с. каждый, скорость вращения составляла 160 об/мин. При ветре в 8.5 м/с расчетная тяга каждого ротора была 4 тонны. Для судна, водоизмещением 2850 тонн немного, согласен. Но это же не чистый парусник, все-таки. Основная силовая установка состояла из двух дизелей Bauart AG-Weser/MAN, по 530 л.с. каждый. Они работали, - помимо генераторов, на нормальные гребные винты, обеспечивая даже при полном штиле контрактные 10 узлов.

роторно-парусное судно в порту (кликабельно )

Судно было успешно испытано, тяга "парусов" оказалась близка к расчетной - и его отправили на регулярную линию вокруг Европы в Средиземное море. Естественно, что оно вызывало фурор во всех портах и по пути следования, но специальных исследования и гонок не проводилось, прагматичные немцы изучали, как и собирались, технико-экономические параметры эксплуатации судна.

Понятно, что на чистой "парусной" тяге судно ходило нечасто. Роторы использовались либо для повышения скорости хода, либо для экономии топлива, которая получалась довольно заметной.

со всех сторон... (кликабельно )

Действительно, 12 тонн тяги при легком ветерке при затратах всего в 120 л.с. - это много. Я бы даже сказал, что это ОЧЕНЬ много. При увеличении скорости ветра, возможно, получилось бы и еще больше, так что вроде бы с экономической т.з. все было хорошо. Судно успешно работало уже три года, как случилась неприятность: да-да, она самая. "Великая депрессия". Объемы грузоперевозок резко упали, а самое главное - упала и цена топлива. До совершенно несерьезных величин. И тут выяснилось неприятное:

моделька мотопарусника

Да. Экономия топлива заметная. Но оно стоит такие копейки, что расходы на сорокатонную конструкцию из трех роторов со всеми их дополнительными системами (смазки под давлением, редукторов к электромоторам и самих электромоторов) - вводят в такой дополнительный расход, что уже никакой экономии топлива не хочется. Простой теплоход без роторов дешевле грузы возить будет.

Вот поэтому-то в депрессию теплоход не продержался и двух лет, и в 1931 году был "упрощен", лишен роторных парусов и переделан в обычный грузовоз без претензий. P.S. А сейчас интерес к теме возрождается . Утилизовать ветер с помощью простейших и удобно управляемых роторов считается хорошей идеей.

Кандидат военно-морских наук В. ДЫГАЛО, профессор, контр-адмирал. Рисунки автора.

Российский четырехмачтовый барк "Крузенштерн" - единственный сохранившийся до наших дней представитель "летающей линии П". Построен в 1926 году в Германии и до сих пор служит учебным судном, помогая воспитывать новые поколения офицеров Российского флота.

Чемпион среди парусников - пятимачтовый гигант "Пройссен".

Самый быстрый парусник, чайный клипер "Катти Сарк".

Илл. 1. Эффект Магнуса.

Первое роторное судно "Букау".

Судно с ветродвижителем парус-крыло.

Грузовое судно "Дина-Шифф".

Танкер "Шин Эйтоку Мару".

Судно с воздушными вертикальными турбинами карусельного типа.

Ответить на вопрос, когда был изобретен парус, - так же невозможно, как невозможно назвать автора знаменитых палеолитических "венер" - примитивных женских изваяний, найденных археологами в разных местах Евразийского континента. Может быть, и то и другое - парус и "венеры" - появились в одно время, в древнекаменном веке? Об этом нам остается только гадать. Уверенно сказать можно лишь то, что 6000 лет назад парус уже существовал - египтяне использовали прямой парус, плавая по Нилу.

Развитие паруса шло параллельно с развитием человечества и достигло пика к середине XIX столетия, когда появились знаменитые "выжиматели ветра" - чайные клипера, а к началу XX века - не менее знаменитые корабли типа "Flyins Р" ("Летучие П") гамбургской компании "Лаэш". Ее пятимачтовый корабль "Пройссен" считался в начале XX века самым большим парусным судном в мире: регистровая вместимость - 5081 т, водоизмещение - 11 000 т. Рекордом осталась 6500-метровая площадь 45 парусов (30 из них на пяти мачтах были прямыми). Как ни велика была роль первых железных судов, приводимых в движение паровой машиной, именно XIX век с полным правом может быть назван порой расцвета деревянных парусных грузовых кораблей. Конструкторы продолжали работать над улучшением качества парусных судов, стремясь увеличить их скорость, которая стала одним из основных факторов в возрастающей конкуренции торговых компаний. В состязании корабелов лидировали две страны - США и Англия.

Американцам первым удалось построить очень легкие, стройные и быстроходные суда - клипера. Но англичане не отставали, и очень скоро начались настоящие соревнования английских и американских парусников.

Среднее водоизмещение судов составляло 1000-2000 т, но некоторые из них имели водоизмещение до 3500-4000 т. Длина их в шесть раз превышала ширину. Тогда и появился известный принцип судостроения - "длина бежит". Создавая этот тип кораблей, судостроители сотворили настоящее чудо. Корпус клиперов был композитным: киль и шпангоуты - железные, обшивка - деревянная, покрываемая в подводной части медными листами для предотвращения обрастания водорослями. Благодаря этому легкость конструкции судна обеспечивалась не в ущерб его прочности.

Для снижения численности экипажа до 23-28 человек и облегчения их работы в море на этих парусниках были использованы достижения техники середины XIX века: винтовые рулевые приводы, ручные лебедки с зубчатой передачей, помпы с маховым колесом и другие механизмы. На "пенителях моря" все было подчинено достижению наибольшей скорости. Длинные и стройные, с гладким, как тело угря, корпусом клипера имели изящно изогнутые острые форштевни, которые разрезали волны, как нож. Мачты-"небоскребы" и сверхдлинные бушприты несли такое изобилие парусов, превзойти которое было уже невозможно. Наиболее быстроходными считались знаменитые чайные клипера: их скорость достигала 20 узлов (37 км/ч). Десять с лишним метров в секунду - так быстро летел (именно летел!) с волны на волну тысячетонный остроносый корабль. Торговые компании каждый год выдавали особую премию тому судну, которое первым привезет из Китая чай нового урожая, - отсюда и название. По сравнению с типами парусного вооружения прошлых столетий вместо обычных до сих пор трех или, в исключительных случаях, четырех ярусов прямых парусов полностью оснащенный клипер нес на каждой мачте до семи прямых парусов. Названия их (начиная снизу) у английских моряков звучали так: нижний парус (фок или грот), нижний марсель, верхний марсель, брамсель, верхний брамсель, "королевский" парус, "небесный" парус, "лунный" парус (или "небо-скреб"). Кроме перечисленных по бокам основных парусов при попутных ветрах на тонких круглых "деревьях", лисель- спиртах, выдвигающихся вдоль рей, ставили добавочные паруса-лисели, а между мачт - стаксели. Общая площадь всех парусов составляла 3300 м 2 и более. Когда при благоприятном ветре клипер шел под всеми парусами, со стороны казалось, что над поверхностью океана летит белое облако. За изящество, обтекаемые формы, изобилие парусов и скорость клипера получили еще одно название - "винджаммеры" ("выжиматели ветров").

Чайные гонки превратились в настоящее соперничество в скорости. Например, в 1866 году из Фучжоу (Китай) почти одновременно вышли пять клиперов с грузом чая. Это состязание в скорости было одним из самых волнующих морских плаваний через полсвета. Каждый из пяти честолюбивых капитанов мечтал прийти в Лондон первым. В гонках на карту ставилось все. Один из парусников, "Ариель", во время жестокого шторма в Атлантическом океане много часов подряд шел с большим креном. Крутые волны перекатывались через палубу клипера. Но вместо того, чтобы убрать хотя бы один парус, экипаж наглухо задраил люки и все прочие отверстия парусиной. Чтобы не быть смытыми за борт, моряки привязывались у своих рабочих мест специальными тросами. Почти полсуток продолжалась борьба со стихией. Корабль вышел из нее победителем. 6 сентября, затратив неполных 99 суток, "Ариэль" прибыл в Англию... После открытия Суэцкого канала в 1869 году рейсы парусных судов на "чайной" линии стали невыгодными. "Ариэль" занимался случайными работами, возил уголь из Англии в Японию и Австралию.

И все же на короткое время клипера опять вошли в моду. Австралия стала вырабатывать много шерсти, в которой нуждались Европа и Америка. Паровых судов, способных без дополнительной загрузки углем ходить на такие большие расстояния, не хватало, пришлось прибегнуть к услугам парусных. В октябре 1885 года из австралийского порта Сидней отправились в Англию шесть клиперов, и среди них "Катти Сарк", которую за прекрасные обводы, громадную парусность и мореходные качества называли "царицей морей". На шестьдесят седьмой день плавания "Катти Сарк" раньше всех появилась в Лондоне. Это был небывалый для парусных судов рекорд. И не только парусных, но и паровых. На обратном пути клипер нагнал быстрейший в то время пассажирский пароход "Британия". Рассказывают, что вахтенный помощник, разбудив капитана, сказал:

Сэр! Выйдите на мостик, происходит что-то необыкновенное - нас обгоняет парусник!

Капитaн улыбнулся и не тронулся с места.

Чего же идти. Ведь это "Катти Сарк", и тягаться с ней бесполезно!

Век клиперов завершился в 1924 году, когда пошел на слом один из последних красавцев - "Хасперус". И лишь "Катти Сарк" проплавала до 1949 года.

Однако с концом военного и транспортного парусного флота парусу не пришел конец. Как движитель спортивных судов и шлюпок парус играет и долго будет еще играть громадную роль в деле воспитания моряков.

Стремительному техническому прогрессу сопутствовало появление серьезных экологических проблем, наносящих порой непоправимый вред природе. Катастрофы с нефтяными танкерами и грандиозные пожары на морских промыслах подтверждают это. Помочь мировому морскому флоту стать экологически чистым должны новые идеи и решения. И новизну может нести в себе парус.

К счастью для человечества, всегда находятся люди, способные увидеть то, чего не замечают другие, и обладающие неиссякаемой пытливостью - этим неотъемлемым качеством всех изобретателей.

Таким человеком был немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961). Однажды, наблюдая во время плавания на паруснике за усилиями матросов, работавших в шторм с парусами на высоте 40-50 м, он подумал: а нельзя ли чем-нибудь заменить классический парус, используя при этом все ту же силу ветра? Размышления заставили Флеттнера вспомнить о его соотечественнике физике Генрихе Густаве Магнусе (1802-1870), который в 1852 году доказал, что возникающая поперечная сила, действующая на тело, вращающееся в обтекающем его потоке жидкости или газа, направлена в сторону, где скорость потока и вращение тела совпадают.

Наличие такого эффекта Магнус подтвердил позже на опыте с весами. На одну из их чаш клали горизонтально цилиндр с подключенным к нему моторчиком, а на другую -уравновешивавшие гири. Цилиндр обдували воздухом, но, пока не включали моторчик, он оставался неподвижным и равновесие весов не нарушалось. Однако стоило лишь запустить моторчик и тем самым заставить цилиндр вращаться, как чаша, где он находился, или поднималась, или опускалась - в зависимости от того, в каком направлении шло вращение. Этим опытом ученый установил: если на вращаемый цилиндр набегает поток воздуха, то скорости потока и вращения по одну сторону цилиндра складываются, по другую же - вычитаются. А поскольку большим скоростям соответствуют меньшие давления, на вращаемом цилиндре, помещенном в поток воздуха, возникает движущая сила, перпендикулярная потоку. Ее можно увеличивать или уменьшать, если крутить цилиндр быстрее или медленнее. Именно опыты Магнуса и навели Флеттнера на мысль заменить парус на судне вращающимся цилиндром. Но сразу же возникли сомнения. Ведь на большом судне такие роторы будут выглядеть огромными башнями высотой 20-25 м, которые в шторм создадут колоссальную опасность для судна. На эти вопросы требовалось ответить, и Флеттнер начал свои исследования.

В последних числах июня 1923 года он производил на озере Ванзее, вблизи Берлина, первые опыты с моделью. Это была шлюпка длиной менее метра с бумажным цилиндром диаметром около 15 см и высотой около 1 м. Для его вращения использовался часовой механизм. Опыты прошли успешно, однако осталось немало вопросов, и в том числе о силах, возникающих на роторе во время вращения.

Все дальнейшие исследования и связанные с ними измерения проводились в лаборатории. Их результаты сводились к следующему.

Если на поверхность вращающегося ротора воздействует ветер, скорость последнего изменяется. Там, где поверхность движется навстречу ветру, его скорость уменьшается, а давление увеличивается. С противоположной же стороны ротора скорость воздушного потока, наоборот, увеличивается, а давление падает. Полученная разность давлений и создает движущую силу, которую можно использовать для перемещения судна.

Но самым удивительным в исследованиях Флеттнера было другое. Оказалось, что возникающая движущая сила была во много раз больше, чем давление ветра на неподвижный ротор. Расчеты показали: используемая энергия ветра примерно в 50 раз превышала ту, что затрачивалась на вращение ротора, и зависела от частоты его вращения и скорости ветра. Выяснилось также и еще одно важное обстоятельство - возможность плавания роторного судна против ветра переменными курсами (галсами), близкими к линии ветра. Другими словами, для такого судна оставались действительными те естественные законы плавания, которыми пользовались обычные парусники. Но при этом его перспективы оценивались просто блестяще, поскольку площадь ротора по отношению к площади парусов обычного парусника, сравнимого по водоизмещению с роторным судном, составляла лишь 0,1-0,15 процента, а его (ротора) масса была примерно в 5 раз меньше, чем суммарная масса парусного вооружения.

Естественно, что одна часть усилий, полученных за счет вращения цилиндра, затрачивается на создание дрейфа (смещения идущего корабля с линии курса), а другая - на движение судна вперед.

Продувка в аэродинамической трубе показала: эту движущую силу можно увеличить почти в 2 раза, если накрыть сверху цилиндр диском (в виде плоской тарелки), диаметр которого больше, чем диаметр самого цилиндра. Кроме того, важно было найти нужные соотношения между скоростью ветра и угловой скоростью вращения ротора. От этого зависит величина силы, вызываемой вращением; потому-то сначала роторы испытывались в аэродинамической трубе и потом уже на модели судна. Эксперимент позволил установить их оптимальные размеры для опытного судна, а за необычным движителем с тех пор закрепилось название "ротор Флеттнера".

В качестве первого опытного судна для его испытания использовали видавшую виды трехмачтовую шхуну "Букау" водоизмещением 980 т. В 1924 году на ней вместо трех мачт поставили два ротора-цилиндра высотой 13,1 м и диаметром 1,5 м. Их приводили в движение два электромотора постоянного тока напряжением 220 В. Электроэнергию вырабатывал небольшой дизель-генератор мощностью 33 кВт (45 л.с.).

Испытания начались на Балтике и закончились удачно. В феврале 1925 года судно покинуло "вольный город Данциг", направляясь в Англию. В Северном море "Букау" пришлось бороться с сильным волнением, но шхуна за счет правильной перебалластировки раскачивалась меньше, чем обычные корабли. Опасения, что тяжелые роторы отрицательно подействуют на остойчивость судна или сами пострадают во время качки, не оправдались, давление ветра на их поверхности не достигло больших величин. В то же время погода была настолько скверной, что многие суда такого же водоизмещения, как и "Букау", искали убежища в близлежащих портах. "Ни один парусник не мог бы совершить плавания, которое проделала роторная шхуна", - писали английские газеты.

Обратный переход в Куксхафен тоже сопровождался штормами. На этот раз "Букау" нагрузили углем по ватерлинию, и она еще раз показала свои преимущества перед другими парусниками. Волны перекатыва лись через палубу и разбили спасательную шлюпку, но сами роторы никаких повреждений не получили. Впоследствии шхуну переименовали в "Баден-Баден" и она совершила еще одно трудное плавание: перенеся жестокий шторм в Бискайском заливе, пересекла Атлантический океан и благополучно прибыла в Нью-Йорк.

Роторный движитель получил высокую оценку. Он оказался проще в обслуживании, чем обычные паруса, быстро входил в рабочий режим, и поэтому испытания решили продолжить. В 1924 году на верфи акционерного общества "Везер" (Германия) было заложено первое судно, спроектированное специально для плавания с роторным движителем. Его назвали "Барбара" и предназначили для перевозки фруктов из портов Южной Америки в Германию. При длине 85, ширине 15,2 и осадке 5,4 м судно имело грузовместимость около 3000 т. По первоначальному проекту на нем предполагалось поставить один гигантский ротор высотой 90 м и диаметром 13,1 м, но затем, учитывая опыт шхуны "Букау", ротор-колосс заменили тремя, меньшего размера - высотой 17 м и диаметром 4 м. Их изготовили из алюминиевых сплавов со стенками толщиной несколько больше миллиметра. Для каждого ротора предназначался один мотор мощностью 26 кВт (35 л.с.), развивающий 150 об/мин. При ветре 5 баллов (8-11 м/с) благоприятного направления (курсовой угол 105-110 градусов) тяга роторных движителей была эквивалентна работе двигателя мощностью 780 кВт (1060 л.с.). Кроме того, одновальная дизельная установка мощностью 750 кВт (1020 л.с.) с приводом на гребной винт дополняла тягу ротора, что позволяло судну идти со скоростью 10 узлов (18,5 км/ч).

Являясь, по существу, парусниками, роторные суда обладали перед ними колоссальными преимуществами. Отпадала необходимость вызывать команду на палубу для уборки и постановки парусов; всего один офицер (на мостике) управлялся с движением роторов при помощи нескольких рукояток. В бейдевинд (против ветра) эти суда шли до 30 градусов, тогда как у большинства обычных парусников угол между направлением ветра и направлением движения составляет не менее 40-50 градусов. Скорость хода регулировалась скоростью вращения роторов, а маневрирование - изменением направления их вращения. Роторные суда могли даже давать задний ход.

Однако сложность конструкции роторных движителей, а главное - то обстоятельство, что оснащенные ими суда продолжали оставаться парусниками со всеми недостатками, первый из которых - полная зависимость от ветра, не привели к их широкому распространению.

Тем не менее конструкторы вновь и вновь возвращались к идее использования энергии ветра. В середине 60-х годов ХХ века во многих морских странах были созданы специальные конструкторские бюро, которые занимались проблемой ветродвижения, то есть движения судна с помощью ветродвигателей и ветродвижителей. В первом случае преобразование энергии ветра в тягу происходит по цепочке: ветродвигатель - передача (механическая или электрическая) - гребной винт. По конструкции различают ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (1-, 2-, 3- или многолопастная турбина) и с вертикальной, например турбина барабанного типа; по скорости вращения - быстроходные, имеющие высокую скорость вращения (хорошо сочетаются с электрогенераторами по частоте вращения), и тихоходные, создающие большой вращающий момент непосредственно на гребной винт. При использовании ветродвигателя судно не ограничено в выборе курса относительно направления ветра, однако он, ветродвигатель, имеет малый кпд по причине многократного преобразования энергии. Ветродвигатель эффективен при скоростях ветра от 3-4 до 12-14 м/с, причем судно лучше двигается при встречных ветрах, нежели при попутных; при скорости ветра 15-20 м/с он должен быть остановлен, поскольку возникает угроза его разрушения.

Опытные ветродвигатели различных конструкций были успешно испытаны на яхтах. Однако на больших транспортных судах они не используются даже в качестве приводов электрогенераторов, хотя эксперименты в этом направлении продолжаются.

Во втором же случае сила тяги, влекущая судно, возникает непосредственно на ветродвижителе, но плавание прямо против ветра и в некотором диапазоне курсовых углов вблизи этого направления невозможно; скорости таких судов зависят от скорости ветра и сравнительно невелики - 7-10 узлов (13-18,5 км/ч). К основным типам ветродвижителей относятся уже известный нам роторный Флеттнера, парус-крыло и классический парус, который до сих пор продолжают совершенствовать, причем по линии создания новейших материалов. Появились немнущийся лавсан и термоустойчивый нитрон, материалы из пластмасс и синтетических волокон, отличающиеся повышенной прочностью и легкостью. Именно они используются для современных судов с парусным движителем.

Первые полномасштабные исследования ветродвижителей были проведены в 1960-1967 годах в гамбургском Институте кораблестроения, где разрабатывался проект грузового судна дейдветом 17 000 т. Результаты последующей упорной работы, включая продувку более 50 моделей в аэродинамической трубе и испытания в опытном бассейне, позволили построить в 1982 году судно "Дина-Шифф", которое долгое время не имело аналогов в мире. Оно представляет собой парусник, принимающий 16 500 т груза и отличающийся внушительными габаритами: длина - 160,5 м, ширина - 21 м. Высота борта - 13 м, осадка - 9,1 м. Каждая из шести поворотных мачт несет пять прямых парусов, которые растягивались на профилированных реях без промежутков и в целом составляли один эффективный (высокий и узкий) гигантский парус площадью 1200 м 2 (общая площадь всех парусов достигла 7200 м 2). Управляет электромотора ми, поднимающими или убирающими любой из 30 парусов, вахтенный офицер из рубки, где установлен компьютер. Кроме парусов на "Дине-Шифф" установили три дизеля по 330 кВт (448 л.с.). Судно развивало среднюю скорость 12 узлов, а при благоприятном ветре - до 16.

Дальнейшее совершенствование проекта "Дина-Шифф" продолжило научно-исследовательское общество Фридриха Вейса из германского города Аренсбурга. Оно создало эффектный парусный сухогруз с автоматической уборкой парусов, каждый из которых наматывался на вал, расположенный в профилированной рее. Длина сухогруза составляет 65 м; он может взять на борт 1000 т груза. Каждая из трех поворотных мачт несет по пять прямых парусов; дополнительно, на случай штилевой погоды, на судне установили вспомогательный дизель мощностью 350 кВт (476 л.с.). Используя только парусный движитель, такие суда могут развивать скорость 12-14 узлов, а при сильном попутном ветре - до 20 (37 км/ч). Это соответствует скорости современного контейнеровоза.

"Дина-Шифф" и сухогруз из Аренсбурга не одиноки на нынешних морских дорогах - начиная с июня 1990 года им составил компанию флагман организации "Гринпис" "Рейнбоу-Урриор", переоборудованный в Гамбурге на манер "Дины-Шифф". При силе ветра в 5 баллов судно развивает скорость более 12 узлов (22 км/ч).

Учитывая хорошие ходовые качества названных судов, сейчас проектируются сухогрузы-парусники грузоподъемностью от 900 до 2000 т. Правда, немецкие ученые считают, что для Европы они вряд ли будут рентабельными из-за непостоянства дующих близ ее берегов ветров, и предлагают оснащать обычные сухогрузы и контейнеровозы дополнительным парусным вооружением, что приведет к экономии 10-25 процентов топлива.

Особенно серьезно к разработке ветродвижителей и ветродвигателей относятся в тех странах, где природные запасы нефти ограничены или вообще отсутствуют. Так, в Японии только за период 1980-1986 годов вошли в строй 10 судов, имеющих кроме механического и ветровой движитель. Типичный их представитель - прибрежный танкер "Шин Эйтоку Мару" водоизмещением 1600 т, спущенный на воду в июле 1980 года компанией "Имамура Шипбилдинг". Основные его размеры: длина - 66, ширина - 10,6, осадка - 4,4 м. Оснащен двумя парусами площадью по 97 м 2 каждый и двигателем мощностью 1177 кВт (1600 л.с.). Средняя скорость танкера - 12 узлов (22 км/ч). Время, которое он проходит под парусами за год, составляет 15 процентов от общего.

Высшим достижением в строительстве судов по схеме "механический двигатель плюс ветровой движитель" стало японское судно "Усики Пионер". При водоизмещении 26 тыс. т оно имеет длину 162,4, ширину 25,2 и осадку 10,6 м, два главных двигателя мощностью по 2427 кВт (3300 л.с.) и два паруса по 320 м 2 каждый. При комбинированном использовании парусов и одного из двигателей судно может идти со средней скоростью 13,5 узла (25 км/ч). Управление ветровым движителем осуществляется по командам ЭВМ.

Японские инженеры также разработали проект парусника, способного перевозить 17 тыс. т груза и 250 пассажиров. Все работы, связанные с постановкой и уборкой парусов, будут полностью механизированы. Это позволит одному человеку с помощью ЭВМ за 20 секунд справиться с 1500 м 2 парусов, размещенных на шести мачтах. Максимальная скорость судна - около 20 узлов (37 км/ч). Оно способно "ловить" малейший ветерок. На случай полного безветрия предусмотрена установка двигателей.

Многоцелевые и довольно дорогие испытания вариантов парусного вооружения были проведены в 1985 году польскими учеными и конструкторами. На 50-метровом опытном судне "Океания" водоизмещением 550 т установили три мачты из прочного и легкого сплава с прямыми парусами общей площадью 700 м 2 . Их ставили и убирали с помощью гидравлических приводов и с использованием специальных снастей из сверхпрочного синтетического материала - кевлара. При усилении ветра площадь парусов уменьшалась, а при ветре более 25 м/с они складывались в виде коробов вокруг мачты.

Этот опыт позволил корабелам Гданьской верфи построить в 1986 году круизное судно "Гварек", парусное вооружение которого было почти аналогично установленному на "Океании". "Гварек" стал собственностью "Бюро путешествий" как плавучий дом отдыха, пассажиры которого размещаются в 100 двухместных комфортабельных каютах. Все управление судном ведется с мостика при помощи компьютера и гидросистем.

Новые паруса потребовали и более современного крепления и уборки. Разработано несколько конструкций мачт, и в каждой есть свои "изюминки". Так, одни мачты установлены на поворачивающихся платформах, а паруса выдвигаются из рей и втягиваются внутрь их, словно полотно киноэкрана. А польский изобретатель А. Боровский из Щецина еще в 1977 году получил патент на мачту, которая состоит из множества металлических трубок, связанных в одно целое тонкой внешней оболочкой из сверхпрочного синтетического материала. Такая конструкция легче обычной и не уступает ей в прочности.

Паруса новых видов разработаны и для спортивных судов. В частности, уже нашел применение новый движитель - парус-крыло. Он выполнен в виде жесткого паруса, аналогичного по конструкции крылу планера или самолета, но имеющего симметричный профиль поперечного сечения. Его ставят на буерах и парусных катамаранах, развивающих высокие скорости, при которых он работает на малых углах атаки. Еще эффективнее парус-крыло, имеющий выпукло-вогнутый профиль, изменяющийся в зависимости от угла атаки и от галса, которым идет судно или буер. Например, в конструкции, примененной на катамаране "Пэшиент-Леди У" (США), парус-крыло состоит из шести частей, устанавливаемых автоматически с помощью компьютера под определенными углами к ветру. Он изготовлен из фанеры, стеклопластика, пенопласта и синтетической ткани, его масса при площади 28 м 2 составляет лишь 46 кг.

Конструкторов, занимающихся ветровыми движителями и двигателями, больше всего привлекают те проекты, которые позволяют увеличить скорость судов до 20 узлов, то есть достичь скорости чайных клиперов. Делаются попытки возродить парусный флот на современной основе, используя принцип движения на воздушной подушке и на подводных крыльях.

Есть положительные сдвиги и в разработке новых типов ветродвигателей. Так, немецкие инженеры предложили двигатель "карусельного типа", в котором на двух вертикальных осях расположены шесть плоскостей из полиэстра, повернутых друг к другу под углом 60 градусов. Ветер, воздействуя на такие воздушные турбины, заставляет их вращаться - тем самым его кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала судового винта.

Сегодня существует достаточно много различных проектов ветродвижителей и ветродвигателей, как реализованных, так и находящихся на стадии разработок. Есть из чего выбирать, однако специалисты пришли к выводу, что наиболее целесообразным вариантом является установка на морских и речных судах ветродвижителя как дополнения к основному механическому двигателю. Это даст 25-30 процентов экономии топлива и обеспечит судам вполне приемлемую скорость в 16 узлов, а кроме того, позволит вместо мощной энергетической установки применять сравнительно небольшую. И еще одно обязательное условие: использование всех новых видов парусных движителей требует широкого внедрения компьютеров. Только быстродействующая вычислительная техника может учесть все параметры, влияющие на движение корабля, и этим повысить безопасность его плавания.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Как видно из рисунка, на вращающийся цилиндр начинает действовать поперечная направлению воздушного потока сила. Таким образом, очевидно, что самый выгодный курс для роторного судна - когда ветер дует строго в борт. А направление движения зависит лишь от того, по или против часовой стрелки вращается ротор.

Илл. 2. Бейдевинд называют полным, если этот угол больше 66 о, и крутым - если меньше. Движение вперед обеспечивает та составляющая ветрового давления (а), которая совпадает с курсом парусника, тогда как действие боковой составляющей (б) нейтрализуется корабельным килем.

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.