Эффект Магнуса состоит в том, что вращающийся цилиндр создаёт в пространстве вокруг себя вихревое движение. Скорость движения воздуха вокруг вращающегося цилиндра различна, следовательно и различно давление порождающее силу, которая может использоваться.

Открытие эффекта

Генрих Густав Магнус

В 1850-х годах немецкий физик и химик Генрих Густав Магнус заметил, что при движении воздуха через вращающийся предмет, например, шарик появляется боковое усилие.

Приложение силы происходит следующим образом:

Если мяч не вращается, воздух будет проходить прямо мимо него растягиваясь прямо за мячом, как хвост кометы. Если поворачивать поверхность вращающегося шара, то он тащит воздух с ним. Вращение отклоняет мяч под углом, ближе к стороне шара который вращается на встречный воздух.

Благодаря третьему закону Исаака Ньютона каждое действие должно иметь равное и противоположное противодействие, поэтому деформирующаяся волна толкает шарик в противоположном направлении, в сторону мяча, который отворачивается от встречного воздуха.

Таким образом, вращающийся шар получает боковую силу.

Применение силы Магнуса

В начале 20 века, ученые предложили использовать эффект Магнуса для приведения в движение кораблей.

Немецкий инженер Антон Флеттнер заменил 420 квадратных метров паруса на шхуне двумя 15-метровыми стальными роторами паруса, которые вращались с помощью небольшого двигателя. Флеттнер показал, что ветер вокруг ротора паруса создавал силу, по бокам ротора паруса, двигая корабль вперед. В 1926 году судно пересекло Атлантический океан. Однако, Флеттнеру не удалось найти инвесторов, заинтересованных с ротор парусной тягой на кораблях. В то время цены на топливо были просто слишком малы и не было никаких экологических норм, ограничивающих с корабля.

Позднее применен на танкере, принадлежащим датской компании Maersk и пассажирском судне. Эти суда оснащены вращающимися цилиндрами на их палубах. Установленные вертикально с высотой порядка 10 этажей эти “ротор паруса” могут сократить расход топлива до 10%. Экономия транспортной компании составила сотни тысяч долларов. Кроме того улучшается экология в результате уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу за одну поездку.

Ротор паруса работают по принципу аэродинамики известного как эффект Магнуса.

Сегодня более 90% товаров перевозится через океан, а китайский порт Шанхай оправляет по 36 миллионов контейнеров ежегодно. Коммерция портит окружающую среду, нарушает : большинство судов сжигают мазут, выделяют диоксид углерода, а также сажу и соединения серы, которые способствуют выпадению кислотных дождей.

Эффективность новой силы

На современных судах разработан ротор парус основанный на оригинальном эффекте Магнуса с использованием современных материалов, таких как углеродные и стеклянные волокна, что снизило вес в три раза. Это означает, что меньше энергии требуется для вращения ротора, что приводит к более эффективной силовой установке.

Также разработано программное обеспечение, которое регулирует скорость ротора вращения до нескольких сотен оборотов в минуту для максимальной скорости.

Технология также должна быть безопасной при прекращении движения и остается только сила сопротивления. И что силы сопротивления, вероятно, гораздо менее значительные, чем испытывает корпус судна при движении по воде и нет риска опрокидывания судов.

Ротор-паруса, как правило, эффективны, если движется быстрее, чем 18 километров в час примерно 10 узлов и дует на нос корабля под углом не менее 20°. Такие условия часто встречаются в северной части Тихого океана и Северной Атлантики по маршрутам доставки.

В отличие от оригинального эффекта Магнуса новые версии ротор-парусов предназначены только для обеспечения дополнительной тяги, а не полностью заменяют судовой двигатель.

Также испытания проведены на грузовом судне, которое перевозит автомобили и грузовики между Нидерландами и Соединенным Королевством. Когда речь идет о дооборудовании двумя 18-метровыми ротор-паруса, судно израсходовало на 6% меньше топлива. Также устанавливается ротор на нефтяной танкер и пассажирское круизное судно. Контейнеровозы не подходят для роторных парусов, потому что их палубы забиты контейнерами.

Время покажет, станет ли этот новый взгляд на старое открытие и изобретение успешным. Но с новыми материалами проблема может быть решена и еще предстоит увидеть много грузовых и пассажирских судов с использованием эффекта Магнуса.

Продолжая разговор о гидравлических и аэродинамических эффектах, следует особое внимание обратить на эффект, носящий имя известного немецкого учёного Генриха Магнуса, который в 1853 году предложил физическое объяснение искрив­ления траекто­рии полёта пушечного ядра, вызванное его случайным вращением. Полёт вращающегося ядра во многом подобен полёту подкрученного мяча в футболе или в теннисе. Вращение шара в полёте создаёт аэродинамическую силу, отклоняющую шар от прямой траектории полёта. Об этом удивительном аэродина­мическом эффекте писал ещё сэр Ньютон, коммен­тируя резанные удары в теннисе.

Обычно, центр тяжести пушечного ядра не совпадает с его геометрическим центром, что и вызывает небольшое закручивание снаряда при выстреле. Произвольное положение центра тяжести ядра перед выстрелом приводило к столь же произвольному отклонению траектории полёта ядра. Зная об этом недостатке, артиллеристы окунали ядра в ртуть и затем маркировали их по верхней точке плавучести. Промаркированные ядра назывались калибровочными.

При стрельбе калибровочными ядрами обнаружили, что в том случае, когда ядро закладывалось в орудие смещённым центром тяжести вниз получался “недолет”. Если же ядро закладывали центром тяжести вверх, то получался “перелет”. Соответственно, если центр тяжести располагался вправо, при полёте снаряда получалось отклонения вправо, при левом расположении центра тяжести снаряда - отклонение наблюдалось влево. У прусских канониров имелись специальные инструкции для стрельбы калибровочными ядрами.

В дальнейшем додумались изготавливать ядра с заведомо смещённым центром тяжести. Такие снаряды назывались эксцентрическими, и уже с 1830 года они стали применяться в войсках Пруссии и Саксонии. Правильно размещая эксцентрическое ядро в казённой части пушки, можно было до полутора раз увеличить дальность выстрела, не меняя положение ствола. Интересно, что учёные не имели к этому артиллерийскому новшеству никакого отношения.

Однако, просвещённый XIX век требовал “научного объяснения” всякого непонятного явления. И вот, прусские артиллеристы обратились к одному из признанных авторитетов зарождающейся аэродинамики – Генриху Магнусу за разъяснением криволинейной траектории полёта пушечного ядра.

Магнус предположил, что дело не в смещённом центре тяжести ядра, как таковом. Причину он видел во вращении ядра. Для проверки своей гипотезы, Магнус провёл серию лабораторных опытов с принудительным обдувом вращающегося тела, которым была не сфера, а цилиндры и конусы. Аэродинамическая сила, возникающая на цилиндре, действовала в том же направлении, что и сила, отклоняющая вращающееся ядро.

Таким образом, Магнус первым из физиков в лабораторных условиях наглядно промоделировал и подтвердил удивляющий всех эффект отклонения пушечного ядра от прямого полёта. К сожалению, никаких количественных измерений, в ходе своих аэродинамических опытов, Магнус не проводил, а лишь зафиксировал возникновение отклоняющей силы и совпадение её направления с тем, которое имело место в артиллерийской практике.

Строго говоря, Магнус не совсем точно смоделировал явление полёта закрученного ядра. В его экспериментах вращающийся цилиндр принудительно обдувался боковой струёй воздуха. В то время, как в реальной артиллерийской практике, ядро летит в неподвижном воздухе. В соответствие с теоремой Бернулли, давление воздуха в струе понижается пропорционально квадрату её скорости. В случае же движения тела в неподвижном воздухе, никакой реальной скорости струи нет, следовательно, и падения воздушного давления ожидать не приходится.

Кроме того, в опытах Магнуса фиксировалась сила, действующая на цилиндр строго перпендикулярно набегающей струе. В реальности же, вращение цилиндра или шара увеличивает также и силу лобового сопротивления, что оказывает существенное влияние на траекторию полёта снаряда.

Другими словами, сила Магнуса действует не строго перпендикулярно траектории полёта, а под некоторым углом, который Магнус исследовать не стал.

Во времена Магнуса среди физиков ещё не было представления об идентичности физических явлений, свойственных реальному полёту твёрдого тела и явлений, возникающих при набегании ветра на неподвижное тело. Поэтому пионеры аэроди­намики, проводили свои первые опыты, сбрасывая модели с большой высоты, имитируя, тем самым, эффект реального полёта. Например, Эйфель активно использовал в аэродинамических опытах свою башню.

И только спустя много лет неожиданно выяснилось, что аэродинамические силы, возникающие при взаимодействии твёрдого тела с потоком жидкости или газа, почти идентичны, как при набегании потока на неподвижное тело, так и при движении тела в неподвижной среде. И, хотя эта идентичность невольно ставила под сомнение теорему Бернулли, справедливую для струйного течения с реальным скоростным напором, никто из аэродинамиков не стал копать глубже, поскольку формула Бернулли позволяла одинаково успешно предсказывать результаты обтекания тела, независимо от того, что реально движется – поток или твёрдое тело.

Людвиг Прандтль в своей Геттингенской лаборатории в начале XX века первым из учёных проделал серьёзное лабораторное исследование силы Магнуса, с замерами сил и скоростей.

В первой серии экспериментов скорость вращения цилиндра была невелика, поэтому ничего нового эти опыты не принесли, они лишь подтвердили качественные выводы Магнуса. Самое интересное началось в опытах с обдувом быстро вращающегося цилиндра, когда окружная скорость поверхности цилиндра в несколько раз превышала скорость набегающего воздушного потока.

Вот здесь и было впервые обнаружено аномально высокое значение отклоняющей силы, действующей на вращающийся цилиндр.

При пятикратном превышении окружной скорости вращения над скоростью потока, аэродинамическая сила на вращающемся цилиндре, в пересчёте на квадратный метр сечения цилиндра, оказалась в десять раз больше аэродинамической силы, действующей на крыло с хорошим аэродинамическим профилем.

Другими словами, сила тяги, на вращающемся роторе оказалась на порядок выше подъёмной силы самолётного крыла!

Невероятно большую аэродинамическую силу, возникающую при обтекании вращаю­щегося цилиндра, Прандтль пытался объяснить на основе теоремы Бернулли, по ко­торой давление в потоке жидкости или газа резко падает при увеличении скорости потока. Однако, такое объяснение мало убедительно, поскольку многочисленные аэро­динамические опыты наглядно доказали, что падение давления на обтекаемой поверхности зависит от относительной скорости обтекания, а не от скорости потока.

При встречном вращении цилиндра относительно потока – относительная скорость обтекания растёт, следовательно, разрежение должно быть максимальным. При попутном вращении относительно потока – относительная скорость обтекания падает, следовательно, разрежение должно быть минимальным.

В реальности всё происходит с точностью до наоборот: в зоне попутного вращения разрежение максимально, а в зоне встречного вращения разрежение минимально.

Так за счёт чего же образуется тяга при обдуве вращающегося цилиндра?

Когда Магнус исследовал вращающийся цилиндр без бокового обдува, он заметил, что вблизи поверхности цилиндра наблюдается падение давления: пламя свечи, поставленной рядом с цилиндром, прижимается к поверхности цилиндра.

Под действием сил инерции, пристеночный слой воздуха стремится оторваться от вращающейся поверхности, создавая в зоне отрыва разрежение.

То есть, разрежение является следствием не самой по себе скорости струи, как это утверждает теорема Бернулли, а следствием криволинейной траектории струи.

При боковом обдуве ротора, в той зоне, где набегающий поток совпадает по направлению с движением пристеночного слоя, имеет место дополнительная раскрутка воздушного вихря и, отсюда, увеличение глубины разрежения.

Напротив, в зоне встречного движения бокового потока, относительно пристеночного слоя, наблюдается замедление вращения вихря и снижение глубины разрежения. Неодинаковость глубины разрежения по зонам ротора приводит к появлению результирующей боковой силы (силы Магнуса). Тем не менее, разрежение присутствует на всей поверхности ротора.

Пожалуй, самое важное следствие опытов Прандтля – возможность использования аномально большой силы на вращающемся роторе для движения корабля. Правда, эта идея пришла в голову не самому Прандтлю, а его соотечественнику – инженеру Антону Флеттнеру, о котором мы поговорим отдельно на следующих страницах.

Игорь Юрьевич Куликов

Нина Николаевна Андреева поможет оформить
патент на ваше изобретение

В Австралии физики-любители продемонстрировали эффект Магнуса в действии. Видеоролик с экспериментом, выложенный на хостинге YouTube, набрал более 9 млн просмотров.

Эффект Магнуса – физическое явление, возникающее, когда поток жидкости или газа обтекает вращающееся тело. При вращении летящего круглого тела вокруг него начинают циркулировать близлежащие слои воздуха. В результате в полете тело меняет направление движения.

Физики-любители для проведения эксперимента выбрали дамбу высотой 126,5 метра и обычный баскетбольный мяч. Сначала мяч был просто сброшен вниз, он летел параллельно дамбе и приземлился в отмеченной точке. Второй раз мяч сбросили, немного прокрутив вокруг своей оси. Летящий мяч пролетел по необычной траектории, наглядно продемонстрировав эффект Магнуса.

Эффект Магнуса объясняет, почему в некоторых спортивных состязаниях, например в футболе, мяч летит по странной траектории. Наиболее яркий пример “аномального” полета мяча можно было наблюдать после штрафного удара футболиста Роберто Карлоса во время матча 3 июня 1997 года между сборными Бразилии и Франции.

Корабль под турбопарусами!

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 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.

Люди иногда говорят, что в действительности бейсбольный мяч по дуге не летит, что это всего лишь оптический обман. Бейсболисты и ученые знают, что это не так. Подающий высшей лиги может заставить мяч отклоняться в сторону, вниз или вверх во время его полета в «дом». Траектория подачи определяется тем, какую скорость и направление вращения придаст мячу рука подающего. В соответствии с законами физики любое тело, похожее на движущийся в воздухе бейсбольный мяч, подвергается воздействию нескольких физических сил, совместное влияние которых и определяет траекторию его полета.

Бейсбольный мяч сшит красной ниткой, которая во время сшивания образует 216 стежков. При полете вращающегося мяча стежки вовлекают в круговое движение прилегающий к ним слой воздуха. В результате набегающий воздух движется быстрее там, где его направление совпадает с направлением вращения мяча. Чем быстрее движется воздух, тем меньшее давление он создает. Поэтому давление воздуха на стороне мяча, вращающейся в направлении движения набегающего потока, становится меньшим, чем на его противоположной стороне, вращающейся против потока. Аналогично тому как атмосферные воздушные массы движутся в сторону уменьшения давления, бейсбольный мяч отклоняется в направлении подкрутки, т. е. в ту сторону, с которой находится его боковая поверхность с более низким давлением. Мяч, поданный игроком высшей лиги, за полсекунды своего полета в «дом» совершает около 18 оборотов и может отклониться в сторону почти на 45 сантиметров.

Вращение и эффект Магнуса

Когда мяч летит, он испытывает лобовое сопротивление воздуха. На стороне мяча, вращающейся в направлении движения набегающего потока, это сопротивление меньше. Такой дисбаланс создает силу, направленную под прямым углом к направлению полета мяча. Известная под названием эффекта Магнуса, эта сила пропорциональна скорости вращения, скорости полета и лобовому сопротивлению.

"Дуговой" мяч

Подающий бросает «дуговой» мяч, подкручивая его запястьем, чтобы заставить мяч вращаться. Поданный правшой, такой мяч вращается вниз и влево (против часовой стрелки, если смотреть на мяч сверху) и в результате летит в нижний правый угол «дома». Так как набегающий поток воздуха движется быстрее на стороне мяча, вращающейся в направлении потока, мяч отклоняется влево и вниз.

"Винтовой" мяч

«Винтовой» мяч бросают, выгибая запястье в сторону тела, а не от него, как в случае «дугового» мяча. Такой изгиб запястья придает мячу направление вращения, противоположное «дуговому», и заставляет отклоняться мяч вверх и вправо. Поданный правшой «винтовой» мяч летит в правый верхний угол «дома».

"Быстрый" мяч

Хорошо поданный «быстрый» мяч - это не обычная прямая подача, а один из видов специальной подкрутки. При подаче «быстрого» мяча подающий подкручивает его так, чтобы мяч вращался назад, и в результате под действием эффекта Магнуса мяч отклоняется вверх. «Быстрый» мяч, летящий со скоростью 150 километров в час, может отклониться вверх почти на 10 сантиметров.

Подкрутка мяча

Различие между «быстрым», «дуговым» и «винтовым» мячами заключается в скорости и направлении вращения мяча. Эффект Магнуса заставляет мяч отклоняться в направлении своего вращения. Машина для подачи мячей придает им разные виды подкрутки, изменяя скорости вращения двух эжекторных колес. Подающий делает это, изменяя хват мяча.

Турбопарус – это судовой движитель роторного типа, который создает тягу из энергии ветра благодаря физическому явлению, известному как эффект Магнуса.

Эффект магнуса

Турбопарус действует на основе физического процесса, возникающего при обтекании вращающегося цилиндрического или круглого тела потоком жидкости или газа и известного как эффект Магнуса. Явление получило свое название от фамилии прусского ученого Генриха Магнуса, описавшего его в 1853 году.

Представим себе шар или цилиндр, которые вращаются в омывающем их потоке газа или жидкости. При этом цилиндрическое тело должно вращаться вдоль своей продольной оси. Во время этого процесса возникает сила, вектор которой перпендикулярен направлению потока. Отчего это происходит? На той стороне тела, где направление вращения и вектор движения потока совпадают, скорость воздушной или жидкой среды повышается, а давление, в соответствии с законом Бернулли, понижается. На противоположной стороне тела, где векторы вращения и потока разнонаправлены, скорость движения среды уменьшается, как бы тормозится, а давление нарастает. Возникающая на противоположных сторонах вращающегося тела разность давлений и порождает поперечную силу. В аэродинамике она известна как подъемная сила, удерживающая в полете аппараты тяжелее воздуха. В случае же с роторными парусами, это сила с вектором, перпендикулярным направлению воздействия ветра на установленный вертикально на палубе и вращающийся вдоль продольной оси ротор-парус.

Вращающиеся паруса Флеттнера

Описанное физическое явление использовал немецкий инженер Антон Флеттнер при создании нового типа судового двигателя. Его роторный парус имел вид вращающихся цилиндрических ветросиловых башен. В 1922 г. изобретатель получил патент на свое устройство, и в 1924 г. первый в истории роторный корабль – переоборудованная шхуна «Букау» сошел со стапелей.
Турбопаруса «Букау» приводились в движение от электродвигателей. С той стороны, где поверхность ротора вращалась навстречу ветру, в соответствии с эффектом Магнуса, создавалась область повышенного давления, а с противоположной стороны - пониженного. В результате возникала тяга, которая и двигала судно при условии наличия бокового ветра. Сверху на роторы-цилиндры Флеттнер поставил плоские тарелки для лучшей ориентации потоков воздуха вокруг цилиндра. Это позволило в два раза увеличить движущую силу. Вращающийся полый металлический цилиндр-ротор, использующий эффект Магнуса для создания боковой тяги, впоследствии был назван в честь своего создателя.

На испытаниях турбопаруса Флеттнера показали себя превосходно. В отличие от обычного парусника, сильный боковой ветер только улучшал ходовые качества экспериментального судна. Два цилиндрических ротора позволяли лучше сбалансировать судно. При этом, изменив направление вращения роторов, можно было изменить движение судна вперед или назад. Разумеется, самым выгодным направлением ветра для создания тяги являлось строго перпендикулярное к продольной оси судна.

Турбопарус от Кусто

Парусники строились в XX столетии, строятся и в XXI. Современные паруса изготавливаются из более легких и прочных синтетических материалов, а парусное вооружение быстро сворачивают электромоторы, освобождая человека от физической работы.

Однако идея принципиально новой системы, использующей для создания тяги судна энергию ветра, витала в воздухе. Ее подхватил французский исследователь и изобретатель Жак-Ив Кусто. Ему как океанографу очень импонировало использование в качестве тяги ветра - бесплатного, возобновляемого и абсолютно экологически чистого источника энергии. В начале 1980-х он приступил к работе над созданием таких движителей для современного судна. За основу он взял турбопаруса Флеттнера, но значительно модернизировал систему, усложнив, но, в тоже время, повысив ее эффективность.

Чем же отличается турбопарус Кусто от движителей Флеттнера? Конструкция Кусто представляет собой вертикально установленную полую металлическую трубу, имеющую аэродинамический профиль и действующую по тому же принципу, что крыло самолёта. В поперечном сечении труба имеет каплевидную или яйцеобразную форму. По бокам ее расположены воздухозаборные решетки, через которые посредством системы насосов нагнетается воздух. А дальше в игру вступает эффект Магнуса. Завихрения воздуха создают внутри и снаружи паруса разницу давлений. У одной стороны трубы создается разрежение, у другой – уплотнение. В результате возникает поперечная сила, которая и заставляет судно двигаться. По сути турбопарус - это установленное вертикально аэродинамическое крыло: с одной его стороны воздух протекает медленнее, чем с другой, создавая разность давлений и поперечную тягу. По аналогичному принципу создается подъемная сила на самолете. Турбопарус снабжен автоматическими датчиками и смонтирован на поворотной платформе, которая управляется компьютером. Умная машина располагает ротор с учетом ветра и задает давление воздуха в системе.

Впервые Кусто испытал прототип своего турбопаруса в 1981 году на катамаране «Moulin à Vent» в ходе плавания через Атлантический океан. Во время путешествия катамаран для безопасности сопровождал более крупный корабль экспедиции. Экспериментальный турбопарус давал тягу, но меньше, чем традиционные паруса и моторы. Кроме того, к концу путешествия сварочные швы вследствие усталости металла лопнули под напором ветра, и конструкция упала в воду. Тем не менее, сама идея подтвердилась, и Кусто с коллегами сосредоточились на разработке более крупного роторного судна – «Алсион». Оно было спущено на воду в 1985 г. Турбопаруса на ней являются дополнением к агрегации из двух дизелей и нескольких винтов и позволяют на треть экономить расход горючего. Даже спустя 20 лет после смерти своего создателя, «Алсион» все еще на ходу и остается флагманом флотилии Кусто.

Турбопарус против крыльев из парусины

Даже в сравнении с лучшими современными парусами, турбопарус-ротор обеспечивает в 4 раза больший коэффициент тяги. В отличие от парусника, сильный боковой ветер не только не страшен роторному судну, но наиболее выгоден для его хода. Оно неплохо двигается даже при встречном ветре под углом 250. Вместе с тем, судно на традиционных парусах больше всего «любит» попутный ветер.

Выводы и перспективы

Сейчас точные аналоги парусов Флеттнера установлены в качестве вспомогательных движителей на немецком грузовом судне «E-Ship-1». А также их усовершенствованная модель используется на яхте «Алсион», принадлежащей фонду Жака-Ива Кусто.
Таким образом, в настоящее время существует два типа движителей системы Турбопарус. Обычный роторный парус, изобретенный Флеттнером в начале XX в., и его модернизированная версия от Жака-Ива Кусто. В первой модели результирующая сила возникает снаружи вращающихся цилиндров; во втором более сложном варианте электронасосы создают разницу давления воздуха внутри полой трубы.

Первый турбопарус способен давать ход судну лишь при боковом ветре. Именно по этой причине турбопаруса Флеттнера не получили распространения в мировом судостроении. Конструктивная особенность турбопаруса от Кусто позволяет получить движущую силу независимо от направления ветра. Оборудованное такими движителями судно может плыть даже против ветра, что является неоспоримым преимуществом как над обычными парусами, так и над роторными. Но, даже несмотря на эти достоинства, система Кусто также не введена в производство.

Нельзя сказать, что в наши дни не предпринимаются попытки воплотить в жизнь идею Флеттнера. Имеется ряд любительских проектов. В 2010 году было построено третье в истории после «Букау» и «Алсион» судно с роторными парусами – 130-метровый немецкий грузовик класса Ro-Lo. Двигательная система судна представлена двумя парами вращающихся роторов и сцепкой из дизелей на случай штиля и для создания дополнительной тяги. Роторные паруса играют роль вспомогательных двигателей: для судна водоизмещением 10,5 тысяч тонн четырех ветросиловых башен на палубе недостаточно. Тем не менее, эти устройства позволяют сэкономить до 40% топлива на каждом рейсе.
А вот система Кусто несправедливо предана забвению, хотя экономическая целесообразность проекта была доказана. На сегодняшний день «Алсион» - единственный полноценный корабль с таким типом движителя. Представляется неясным, почему система не используется в коммерческих целях, в частности на грузовых судах, ведь она позволяет экономить до 30% дизельного горючего, т.е. деньги.