Известната документална поредица „Подводна одисея“на екипа на Кусто е заснета от великия френски океанограф през 60-те - 70-те години. След това основният кораб на Кусто е преустроен от британската миночистачка „Калипсо“. Но в един от следващите филми - „Преоткриване на света“- се появи друг кораб, яхтата „Alcyone“.
Гледайки го, много зрители си зададоха въпроса: какви са тези странни тръби, инсталирани на яхтата?.. Може би са тръби на котли или задвижващи системи?
Представете си изумлението си, ако разберете, че това са САЙЛОВЕ … турбобуси …
Фондът Кусто се сдобива с яхтата "Алкион" през 1985 г. и този кораб се счита не толкова за изследователски кораб, колкото за база за изучаване на ефективността на турбобуса - оригиналната система за задвижване на кораба. И когато 11 години по-късно легендарният „Калипсо“потъна, „Алкиона“зае мястото си като основен кораб на експедицията (между другото, днес „Калипсо“е издигнат и е в полуразграбено състояние в пристанището на Конкарно).
Всъщност турбобусът е изобретен от Кусто. Както и екипировка за гмуркане, подводна чиния и много други устройства за изследване на морските дълбини и повърхността на океаните. Идеята се заражда в началото на 80-те години на миналия век и беше да се създаде най-екологичната, но в същото време удобна и модерна задвижваща система за водолюбиви птици. Използването на вятърната енергия изглеждаше най-обещаващата област на изследванията. Но ето лошият късмет: човечеството изобрети платно преди няколко хиляди години и какво може да бъде по-просто и по-логично?
Разбира се, Кусто и неговата компания разбраха, че е невъзможно да се построи кораб, задвижван изключително от платно. По-точно, може би, но шофьорските му показатели ще бъдат много посредствени и ще зависят от капризите на времето и посоката на вятъра. Затова първоначално се планираше новото „платно“да бъде само спомагателна сила, приложима за подпомагане на конвенционалните дизелови двигатели. В същото време турбобусът значително ще намали разхода на дизелово гориво и при силен вятър може да се превърне в единственото задвижване на кораба. А погледът на изследователския екип се насочи към миналото - към изобретяването на немския инженер Антон Флетнер, известния самолетен конструктор, който направи значителен принос в корабостроенето.
Промоционално видео:
Турбо платното представлява кух цилиндър, оборудван със специална помпа. Помпата създава вакуум от едната страна на турбоплава, изпомпвайки въздух в платното, външният въздух започва да тече около турбоплава с различна скорост и корабът започва да се движи в посока, перпендикулярна на налягането на въздуха. Това е много подобно на асансьора, действащ върху крило на самолет - налягането от дъното на крилото е по-голямо и самолетът се изтласква нагоре. Турбо платното позволява на кораба да се движи срещу всеки вятър, стига да има достатъчно мощност на помпата. Използва се като спомагателна система за конвенционален морски двигател. Два моторни платна, инсталирани на кораба на екипа на Кусто "Алкион", направиха възможно да се спестят до 50% гориво.
Роторът на Flettner и ефектът Magnus
На 16 септември 1922 г. Антон Флетнер получава немски патент за така наречения ротационен съд. И през октомври 1924 г. експериментален ротационен кораб Buckau оставя запасите на корабостроителната компания Friedrich Krupp в Кил. Вярно, шхуната не е построена от нулата: преди монтажа на роторите на Флеттнер, това беше обикновен ветроход.
Идеята на Флетнер е била да използва така наречения ефект на Магнус, същността на който е следната: когато въздушен (или течен) поток тече около въртящо се тяло, се образува сила, перпендикулярна на посоката на потока и действа върху тялото. Факт е, че въртящ се обект създава вихрово движение около себе си. От страната на обекта, където посоката на вихъра съвпада с посоката на потока на течност или газ, скоростта на средата се увеличава, а от противоположната страна тя намалява. Разликата в налягането и създава срязваща сила, насочена от страната, където посоката на въртене и посоката на потока са противоположни, към страната, където те съвпадат.
„Ветърният кораб на Flettner е на устните на всички благодарение на изключително ревностна вестникарска пропаганда“, пише Луис Прандл в статията си за развитието на немски инженер.
Този ефект е открит през 1852 г. от берлинския физик Хайнрих Магнус.
Магнус ефект
Германският инженер по въздухоплаване и изобретател Антон Флеттнер (1885-1961) влезе в историята на корабоплаването като човек, който се опитва да замени платната. Той имаше шанс да пътува дълго време на ветроходен кораб през Атлантическия и Индийския океан. Много платна бяха поставени върху мачтите на ветроходните кораби от онази епоха. Плавателното оборудване беше скъпо, сложно и аеродинамично не много ефективно. Постоянните опасности чакат моряци, които дори по време на буря трябваше да плават на височина 40-50 метра.
По време на плаването младият инженер имаше идеята да замени платната, които изискват повече усилия, с по-просто, но ефективно устройство, основното задвижване на което ще бъде и вятърът. Размишлявайки над това, той припомни аеродинамичните експерименти, проведени от неговия сънародник физик Хайнрих Густав Магнус (1802-1870). Те открили, че когато цилиндър се върти във въздушен поток, възниква напречна сила с посока в зависимост от посоката на въртене на цилиндъра (ефект на Магнус).
Един от класическите му експерименти изглеждаше така: „Месингов цилиндър може да се върти между две точки; бързото завъртане на цилиндъра се осъществява, както в горната част, от шнур. Въртящият се цилиндър беше поставен в рамка, която от своя страна можеше лесно да се върти. Силна струя въздух беше изпратена към тази система с помощта на малка центробежна помпа. Цилиндърът се отклоняваше в посока, перпендикулярна на въздушния поток и към оста на цилиндъра, освен това в посоката, от която посоките на въртене и струята бяха еднакви "(Л. Прандтл" Ефект на Магнус и ветрови кораб ", 1925 г.).
А. Флетнер веднага помисли, че платната могат да бъдат заменени с въртящи се цилиндри, инсталирани на кораба.
Оказва се, че където повърхността на цилиндъра се движи срещу потока въздух, скоростта на вятъра намалява и налягането се увеличава. От другата страна на цилиндъра важи обратното - скоростта на въздушния поток се увеличава и налягането намалява. Тази разлика в налягането от различни страни на цилиндъра е движещата сила, която кара съда да се движи. Това е основният принцип на въртящото се оборудване, което използва силата на вятъра за придвижване на съда. Всичко е много просто, но само А. Флетнер „не мина покрай“, въпреки че ефектът на Магнус е известен от повече от половин век.
Той започва да изпълнява плана през 1923 г. на езеро близо до Берлин. Всъщност Флетнер направи доста просто нещо. Той монтира хартиен цилиндър-ротор с височина около метър и диаметър 15 см на тестова лодка с дължина метър и адаптира часовник механизъм, за да го завърти. И лодката отплува.
Капитаните на ветроходни кораби се подиграха на цилиндрите на А. Флетнер, с които той искаше да замени платната. Изобретателят успява да заинтересува богатите покровители на изкуството със своето изобретение. През 1924 г. вместо три мачти са монтирани два роторни цилиндъра на 54-метровия шхуна "Buckau". Тези цилиндри са задвижвани от дизелов генератор с мощност 45 к.с.
Роторите на Букау се задвижват от електрически двигатели. Всъщност нямаше разлика от класическите експерименти на Магнус в дизайна. От страната, където роторът се върти срещу вятъра, се създава зона с повишено налягане, от противоположната страна - зона с ниско налягане. Получената сила е това, което задвижва кораба. Освен това тази сила е била около 50 пъти по-голяма от силата на налягането на вятъра върху неподвижен ротор!
Това отвори големи перспективи за Flettner. Освен всичко друго, площта на ротора и неговата маса бяха няколко пъти по-малки от площта на платното, което ще даде еднаква движеща сила. Роторът беше много по-лесен за управление и беше доста евтин за производство. Отгоре Flettner покрива роторите с плоскости - това увеличава задвижващата сила с около два пъти поради правилната ориентация на въздушните потоци спрямо ротора. Оптималната височина и диаметър на ротора за „Bukau“се изчислява чрез издухване на модел на бъдещия съд във вятърен тунел.
Cousteau turbosailboat - За 2011 г. Alkiona е единственият кораб в света с турбобул Cousteau. Смъртта на великия океанограф през 1997 г. сложи край на изграждането на втория такъв кораб, Калипсо II, а други корабостроители се страхуват от необичайния дизайн …
Роторът на Flettner се оказа отличен. За разлика от обикновен ветроходен кораб, ротационен кораб практически не се страхуваше от лошо време и силни странични ветрове, лесно можеше да плава с редуващи се кранове под ъгъл от 25 ° спрямо предния вятър (за нормално платно ограничението е около 45 °). Два цилиндрични ротора (височина 13,1 м, диаметър 1,5 м) направиха възможно перфектното балансиране на кораба - оказа се, че е по-стабилен от платноходката, с която Букау беше преди преструктурирането. Тестовете бяха проведени в спокойствие и буря и с умишлено претоварване - и не бяха установени сериозни недостатъци. Най-изгодното за движението на съда беше посоката на вятъра точно перпендикулярна на оста на съда, а посоката на движение (напред или назад) се определяше от посоката на въртене на роторите.
В средата на февруари 1925 г. шхуната "Buckau", оборудвана с ролетите на Flettner вместо платна, напуска Данциг (сега Гданск) за Шотландия. Времето беше лошо и повечето платноходки не посмяха да напуснат пристанищата. В Северно море Букау трябваше да се справи сериозно със силни ветрове и големи вълни, но шхуната се втурна на борда по-малко от другите сребърни лодки.
По време на това плаване не беше необходимо да се обаждате на екипажа на палубата, за да сменят платна в зависимост от силата или посоката на вятъра. Достатъчен беше един навигатор на часовника, който без да напуска коледната зала, можеше да контролира активността на роторите. Преди това екипажът на тричленна шхуна се състоеше от поне 20 моряци, след превръщането й в ротационен кораб бяха достатъчни 10 души.
През същата година корабостроителницата поставя основите на втория ротационен кораб - мощния товарен лайнер „Барбара”, задвижван от три 17-метрови ротора. В същото време един малък мотор с мощност само 35 к.с. беше достатъчен за всеки ротор. (при максимална скорост на въртене на всеки ротор 160 об / мин)! Тягата на ротора беше еквивалентна на тази на витлото, задвижвано с витло, съчетано с конвенционален корабен дизелов двигател с мощност около 1000 к.с. Корабът обаче имаше и дизелов двигател: в допълнение към роторите, той задействаше витлото в движение (което остана единственото задвижващо устройство в случай на спокойно време).
Обещаващи експерименти подтикнаха корабната компания Rob. M. Sloman от Хамбург да построи кораба Barbara през 1926г. Предварително беше планирано да оборудваме турбобуси - роторите на Flettner. На съд с дължина 90 м и ширина 13 м са монтирани три ротора с височина около 17 м.
Барбара успешно транспортира плодове от Италия до Хамбург от известно време, както е планирано. Приблизително 30–40% от времето на плаване корабът е плавал поради силата на вятъра. С вятър от 4-6 точки "Barbara" разви скорост от 13 възела.
Предвиждаше се тест на въртящия се кораб при по-дълги плавания в Атлантическия океан.
Но в края на 20-те години Голямата депресия удари. През 1929 г. чартърната компания отказва да вземе под наем допълнително Барбара и е продадена. Новият собственик свали роторите и преобразува кораба по традиционната схема. Все пак роторът беше по-нисък от винтовите витла в комбинация с конвенционална дизелова електроцентрала поради зависимостта си от вятъра и определени ограничения в мощността и скоростта. Флеттнер се насочи към по-обещаващи проучвания и в крайна сметка Баден-Баден потъна по време на буря в Карибите през 1931 година.
И забравиха за въртящите се платна за дълго време …
Началото на ротационните съдове, изглежда, беше доста успешно, но те не получиха развитие и бяха забравени за дълго време. Защо? Първо, "бащата" на ротационни кораби А. Флетнер се потопи в създаването на хеликоптери и престана да се интересува от морски транспорт. Второ, въпреки всичките им предимства, въртящите се кораби остават ветроходни кораби с присъщите им недостатъци, основният от които е зависимостта от вятъра.
Роторите на Флеттнер отново се интересуват от 80-те години на ХХ век, когато учените започват да предлагат различни мерки за смекчаване на климатичното затопляне, намаляване на замърсяването и по-рационалното използване на горивото. Един от първите, който ги запомнил е френският изследовател Жак-Ив Кусто (1910-1997). За да се тества работата на турбомоторната система и да се намали разходът на гориво, двумачтовият катамаран "Alcyone" (Alcyone е дъщеря на бога на ветровете Aeolus) е превърнат в ротационен съд. Заплава през 1985 г., той пътува до Канада и Америка, обикаля нос Хорн, заобикаля Австралия и Индонезия, Мадагаскар и Южна Африка. Прехвърлен е в Каспийско море, където плава в продължение на три месеца, като прави различни изследвания. Alcyone все още използва две различни задвижващи системи - два дизелови двигателя и два турбобуса.
Турбо платно Кусто
Платноходци са строени през целия 20 век. В съвременните кораби от този тип, ветроходното въоръжение се сгъва с помощта на електродвигатели, новите материали позволяват значително олекотяване на конструкцията. Но платноходката е платноходка, а идеята за използване на вятърната енергия по коренно нов начин е във въздуха още от дните на Флетнер. И тя бе взета от неуморния авантюрист и изследовател Жак-Ив Кусто.
На 23 декември 1986 г., след като Alcyone, споменат в началото на статията, стартира, Кусто и неговите колеги Lucien Malavar и Bertrand Charier получават съвместен патент № US4630997 за „устройство, което създава сила чрез използването на подвижна течност или газ“. Общото описание е следното: „Устройството е поставено в среда, движеща се в определена посока; това създава сила, действаща в посока, перпендикулярна на първата. Устройството избягва използването на масивни платна, при които задвижващата сила е пропорционална на зоната на платната. Каква е разликата между турбобуса на Кусто и въртящото се платно на Флетнер?
В напречно сечение турбобусът е нещо като продълговата капка, закръглена от острия край. Отстрани на "капката" има решетки за всмукване на въздух, през едната от които (в зависимост от необходимостта от движение напред или назад) се изсмуква въздух. За най-ефективно всмукване на вятъра във всмукателния въздух на турбо платното е инсталиран малък вентилатор, задвижван от електрически мотор.
Той изкуствено увеличава скоростта на движение на въздуха от подветрената страна на платното, всмуквайки въздушния поток в момента на отделянето му от равнината на турбо-платно. Това създава вакуум от едната страна на турбобуса, като същевременно предотвратява образуването на турбулентни вихри. И тогава ефектът на Магнус действа: разреждане от едната страна, в резултат на това - напречна сила, способна да настрои кораба в движение. Всъщност турбобойът е вертикално разположено самолетно крило, поне принципът за създаване на пропулсивна сила е подобен на принципа за създаване на самолетен асансьор. За да се гарантира, че турбобусът винаги е обърнат към вятъра в най-изгодната посока, той е оборудван със специални сензори и инсталиран на грамофон. Между другото, патентът на Cousteau предполага, че въздухът може да се изсмуче от вътрешността на турбобуса не само от вентилатор, но също така, напр.въздушна помпа - по този начин Кусто затвори портата за следващи „изобретатели“.
Всъщност за първи път Кусто изпробва прототип на турбомаса на катамарана Moulin à Vent през 1981 година. Най-голямото успешно плаване на катамарана беше пътуване от Танжер (Мароко) до Ню Йорк под надзора на по-голям експедиционен кораб.
А през април 1985 г. в пристанището на Ла Рошел стартира Alcyone, първият пълноценен кораб, оборудван с турбомасажи. Сега тя все още е в движение и днес е флагманът (и всъщност единственият голям кораб) на флотилия Кусто. Турбо платната върху него не са единственият двигател, но помагат на обичайното свързване на два дизела и няколко витла (което, между другото, позволява да се намали разхода на гориво с около една трета). Ако великият океанограф беше жив, той вероятно би построил още няколко подобни кораба, но ентусиазмът на неговите сътрудници след заминаването на Кусто забележимо отшумя.
Малко преди смъртта си през 1997 г. Кусто активно работи по проекта на кораба "Калипсо II" с турбобой, но не успява да го завърши. Според последната информация, през зимата на 2011 г. "Алчиона" е бил в пристанището на Каен и чака нова експедиция.
Flettner отново
Днес се правят опити за възраждане на идеята на Флетнер и превръщането на въртящите се платна в мейнстрийм. Например, известната хамбургска компания Blohm + Voss, след петролната криза през 1973 г., започна активно разработване на ротационен танкер, но до 1986 г. икономически фактори покриват този проект. Тогава имаше редица любителски дизайни.
През 2007 г. студенти от университета във Фленсбург изградиха катамаран, задвижван от въртящо се платно (Uni-cat Flensburg).
През 2010 г. се появи третият в историята кораб с въртящи се платна - тежкотоварният камион E-Ship 1, който е построен за Enercon, един от най-големите производители на вятърни турбини в света. На 6 юли 2010 г. корабът е пуснат за първи път и прави кратко пътуване от Емден до Бремерхафен. И през август той замина на първото си работно пътуване до Ирландия с товар от девет вятърни турбини. Съдът е оборудван с четири ротора Flettner и, разбира се, традиционна задвижваща система в случай на спокойствие и за допълнителна мощност. Все пак въртящите се платна служат само като спомагателни витла: за 130-метров камион мощността им не е достатъчна, за да развие правилната скорост. Двигателите са девет електроцентрали Mitsubishi, а роторите се въртят от парна турбина на Siemens, т.е.използвайки енергията на отработените газове. Ротационните платна спестяват 30 до 40% гориво със скорост 16 възела.
Но турбобусът на Кусто все още е в някакво забравяне: в момента Alcyone е единственият пълномощен кораб с този тип задвижване. Опитът на германските корабостроители ще покаже дали има смисъл да се доразвие темата за платна, действащи върху ефекта Magnus. Основното е да се намери икономическа обосновка за това и да се докаже неговата ефективност. И там, разбирате ли, цялото световно корабоплаване ще се придвижи към принципа, който талантливият немски учен описа преди повече от 150 години.
В Северно море през 2010 г. можете да видите странния кораб "E-Ship 1". На горната му палуба има четири високи заоблени комини, но димът никога не се извива от тях. Това са така наречените ролети Flettner, които замениха традиционните платна.
На 2 август 2010 г. най-големият световен производител на вятърни централи Enercon пусна 130-метров ротационен съд с ширина 22 m, който по-късно беше наречен E-Ship 1, в корабостроителницата Lindenau в Кил. Тогава той е успешно тестван в Северно и Средиземно море и в момента транспортира вятърни генератори от Германия, където се произвеждат, до други европейски страни. Той развива скорост от 17 възела (32 км / ч), едновременно транспортира над 9 хиляди тона товари, екипажът му е 15 души.
Базираната в Сингапур транспортна компания Wind Again, технология за намаляване на горивата и емисиите, предлага специално проектирани ролети Flettner (сгъваеми) за танкери и товарни кораби. Те ще намалят разхода на гориво с 30-40% и ще се изплатят след 3-5 години.
Финландската морска инженерна компания Wartsila вече планира да адаптира своите турбобусове на круизни фериботи. Това се дължи на желанието на финландския фериботен оператор Viking Line да намали разхода на гориво и замърсяването на околната среда.
Използването на ролетите Flettner в плавателни съдове за развлечения се изучава от университета във Фленсбург (Германия). Повишаването на цените на петрола и тревожното климатично затопляне изглежда са благоприятни условия за връщане на вятърните турбини.
Яхтата, проектирана от Джон Марпълс „Cloudia“, е реконструиран тримаран Searunner 34. Яхтата за първи път е тествана през февруари 2008 г. във Форт Пиърс, Флорида, САЩ, а създаването й е финансирано от Discovery Channel. „Клавдия“се оказа невероятно маневрена: тя спря и включи заден ход за секунди, свободно се движеше под ъгъл около 15 ° спрямо вятъра. Забележимо подобрение на производителността спрямо традиционния ротор Flettner се дължи на допълнителни напречни дискове, монтирани на предните и задните тримарански ротори.