Если мы спросим случайного человека, что у него ассоциируется с парусными судами, он наверняка ответит, что с парусами. Нет более очевидного ответа. За всю историю было построено много красивых, часто величественных кораблей этого типа. Что, если мы скажем вам, что ветряным кораблям не нужны паруса для эффективного движения?Оказывается, есть суда, на которых парус заменен огромным вращающимся цилиндром. Давайте посмотрим, что такое ротор Флеттнера и как винтокрылые корабли вообще могут двигаться.
На протяжении всей истории было построено много мощных кораблей, приводимых в движение силой ветра. Некоторые, как шхуна Thomas W. Lawson, закончили не очень хорошо , но тем не менее запомнились. Считалось, что парусное судно должно иметь мачту и на ней висеть хотя бы один парус. Это типовое решение, и деление кораблей определяется по парусному оснащению. Однако существуют конструкции, имеющие вид паруса, но в то же время не отвечающие требованиям, чтобы называться таковыми. Однако следует отметить, что этот «парус» представляет собой нечто совершенно иное, чем можно было бы ожидать .
Парус, который не похож ни на один парус
Начнем с истории, ведь технология, о которой вы прочтете в этом тексте, доступна с 1920-х годов, когда немецкий авиаконструктор и изобретатель Антон Флеттнер начал работать в исследовательском центре в Геттингене. Флеттнер был известен в сообществе своими интересными идеями, ранее он разработал, например, первые самолеты без пилота, управляемые торпеды или разгрузочный щиток, все еще используемые в самолетах, назвали в его честь флатнерами. У конструктора были обширные познания в механике жидкости (а воздух, как газ, конечно, тоже жидкость), которые он решил использовать довольно неожиданным образом.
Ему пришла в голову идея создания современного паруса , который сам по себе является своеобразным ротором. Он отличался от традиционного паруса во всем, начиная от конструкции, от того, как он работал, до материала, из которого он был сделан. Ротор Флеттнера, потому что речь идет о нем, представляет собой гладкий цилиндр из листового металла или пластика, обычно расположенный вертикально, наподобие мачты. На концах цилиндров имеются специальные фланцы. В зависимости от размера судна на борту может быть один или несколько роторов. Стоит подчеркнуть, что создаваемая подъемная сила во многих случаях настолько велика, что роторы Флеттнера можно использовать даже на мощных судах.
Первым кораблем с ротором Флеттнера стала установка Buckau . Его ранний прототип, оснащенный двумя винтами, пересек Атлантику еще в 1926 году. Когда не было ветра, конструкция приводилась в движение вспомогательным двигателем, передающим мощность на винт. Технология привлекла внимание многих конструкторов, но не самих верфей, не видевших в несущей системе ничего революционного. С их точки зрения, строительство кораблей специфического вида было экономически неоправданным. Кроме того, роторы проиграли битву с традиционными двигателями внутреннего сгорания.
Как работает ротор Флеттнера?
В роторе Флеттнера цилиндр вращается вокруг своей длинной оси с большой скоростью. Если бы мы имели дело с типичным жестким цилиндром, то при воздействии на него потока воздуха сила создавалась бы только сопротивлением ветра в районе проекции, в направлении потока. Однако, если цилиндр начинает вращаться, в игру вступает и эффект Магнуса .
Эффект Магнуса — это явление силы, перпендикулярной направлению движения, действующей на тело вращения, такое как вышеупомянутый цилиндр, вращающийся и движущийся в жидкости. Когда ветер дует на вращающийся цилиндр, воздух ускоряется там, где направление вращения цилиндра и направление ветра совпадают, и замедляется на противоположной стороне. В первом случае создается отрицательное давление, а во втором, где поток медленнее, создается избыточное давление.
В результате мы получаем силу, действующую поперек потока, которая примерно в десять раз больше, чем для традиционного паруса при том же сопротивлении. Полученная сила зависит от скорости ветра, скорости вращения и отношения двух скоростей друг к другу . Чаще всего скорость вращения поверхности ротора примерно в три-четыре раза превышает скорость ветра, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность. У многих агрегатов она составляет около 100 об/мин, но есть и такие, где она легко превышает 300 об/мин.
Для наилучшей работы роторов важно, чтобы ветер дул перпендикулярно длине судна. Движущая сила роторов не обеспечивает движение на курсах против ветра, как это обычно делают паруса, и почти никогда на курсах против ветра. Поэтому на судах с роторами Флеттнера крайне важно точно определить направление и силу ветра и спланировать плавание таким образом, чтобы наилучшим образом использовать это атмосферное явление.
Размер роторов зависит от размера корабля и надо признать, что в некоторых случаях роторы действительно мощные. Некоторые конструкции, используемые в современных агрегатах , имеют высоту более 20 м и диаметр до нескольких метров. Однако были и вполне конкретные случаи относительно небольших винтов, размещавшихся на небольших яхтах и даже понтонах.
Стоит отметить, что роторы Флеттнера долгое время были практически забыты. После постройки в 1920-х годах нескольких установок, в основном опытных, технологию отложили в сторону и стали ждать лучших времен. Они, наконец, пришли в 21 веке благодаря росту цен на топливо. В 2010 году в плавание отправилось грузовое судно E-Ship 1 , которое, кроме традиционного дизельного двигателя, было оснащено еще и четырьмя роторами Флеттнера. Их использование оказало существенное влияние на экономию топлива. По словам судовладельца, эксплуатирующего установку, E-Ship 1 сгорает до 25 процентов. дизельного топлива меньше, чем у кораблей аналогичных размерений и назначения.
Однако мы не упомянули еще об одной важной особенности роторов Флеттнера. Помимо использования их в качестве движителя, их также можно использовать для стабилизации корабля . В данном конкретном случае возможно их использование в другой ориентации, чем та, что описана выше — тогда несущие винты выступают из корпуса поперечно и часто располагаются ниже ватерлинии. Речь идет о двух видах стабилизации: пассивной, когда несущие винты с обеих сторон корабля вращаются в одном направлении, и активной, когда их скорость и направление определяются в зависимости от ситуации.
Проблемы с роторами Флеттнера
Описанные роторы представляют собой действительно интересные конструкции, но они имеют ряд недостатков, снижающих их популярность. Первая и, наверное, самая важная — это относительно низкий КПД , возникающий в результате огромных потерь в передачах. Очень сложно передать мощность на привод, даже если сопротивление максимально снижено за счет использования обтекаемых лопастей и изолированных валов.
Роторные суда также сильно зависят от погоды и, как и обычные парусные суда, не достигают адекватных характеристик без оптимальной скорости ветра. Более того, из-за того, как это работает, и из-за эффекта Магнуса, описанного ранее, направление ветра здесь также имеет большое значение. Иногда тяга может меняться хаотично, что напрямую выливается в тяговую мощность. Отсутствие предсказуемости в случае последнего во многих случаях даже дисквалифицирует.
Еще одна проблема — высота роторов. Как мы уже упоминали, они могут быть очень большими, что, в свою очередь, может сделать корабль нестабильным. Чем больше роторы, тем больше вес и, следовательно, напряжения и нагрузки на подшипники и шестерни. По этой причине размер обычно ограничен, чтобы свести к минимуму эти проблемы. Это, к сожалению, сказывается на КПД, который ниже, чем у обычных двигателей.
По этой причине трудно найти корабли, в которых ротор Флеттнера был бы главной движущей силой. Если что-то подобное и используется, то обычно только в виде поддержки основного двигателя или в очень небольших агрегатах.