В 1926 году экспертам британского классификационного общества Lloyd’s Register пришлось прибегнуть к невиданным мерам: они дважды внесли в классификационные списки одно и то же судно: как пароход и как парусник. Дело в том, что с одной стороны это было классическое судно с двигателями, но главной движущей силой у него была сила ветра. Как у парусника. С тем только отличием, что парусами на нем были странные вертикальные цилиндры. Начать же эту историю следует гораздо раньше.
Герр Генрих Густав Магнус
В 1672 году сэр Исаак Ньютон, отдыхая на скамейке в Кембридже, наблюдал за игроками в теннис. Они отбивали друг другу мяч, и в большинстве случаев он вел себя как обычно: перелетал по баллистической траектории через сетку по прямой от одного человека к другому. Однако в некоторых случаях мяч неожиданно отклонялся в сторону, и порой — даже слишком сильно, чтобы это осталось незамеченным великим ученым.
Ньютон нашел объяснение, связав вращение мяча с порывами ветра. В воздушном потоке любое тело сталкивается с третьим законом Ньютона, и вращающийся мяч создает вокруг себя воздушные вихри, которые приводят к возникновению движущей силы при попадании в поток. С той стороны мяча, где направление вращения совпадает с направлением потока, скорость движения среды возрастает. А с противоположной — снижается. Из-за возникающей при этом разницы давлений по обе стороны объекта и появляется сила, перпендикулярная направлению потока и воздействующая на тело.
На практике с этим сталкиваются, например, стрелки, соревнующиеся в стрельбе на большие дистанции. Пуля, которой придали правостороннее вращение нарезки ствола, при боковом ветре слева начинает немного отклоняться от траектории вверх. И наоборот. На сотне метров эффект практически незаметен, но вот при попытке поразить мишень на дистанции в километр или полтора отклонение пули при боковом ветре уже следует учитывать.
Чтобы изучить этот эффект, в 1852 году немецкий физик и математик Генрих Магнус провел опыты с вращающимся латунным цилиндром. Ученый поместил цилиндр в раму, которая, в свою очередь, тоже могла свободно поворачиваться. Цилиндр раскручивался с помощью шнурка, за который тянул экспериментатор. После раскручивания на всю эту конструкцию направлялся воздушный поток от центробежного насоса. И каждый раз рама с цилиндром отклонялась в сторону, перпендикулярную воздушному потоку. Причем именно туда, где направления вращения и воздушного потока совпадали. В 1853 году Магнус подробно описал наблюдаемое явление, а спустя еще несколько лет оно было названо эффектом Магнуса.
«Букау»
В 1910-х годах немецкий авиационный инженер Антон Флеттнер решил испытать подобие рамки с цилиндром Магнуса на судне. Он предположил, что раз рамка с вращающимся цилиндром двигалась перпендикулярно воздушному потоку, то можно заставить подобным образом двигаться и плавсредство во время ветра. Для проверки своей гипотезы Флеттнер переоборудовал парусную шлюпку длиной чуть более метра.
Вместо обычного паруса он установил на нее вертикальный бумажный цилиндр длиной один метр и диаметром 15 сантиметров. Цилиндр вращался вокруг вертикальной оси с помощью часового механизма, проще говоря — взведенной пружины. Этот опыт увенчался успехом: шлюпка действительно поплыла. В 1922 году Флеттнер предложил и запатентовал конструкцию роторного паруса, того самого вращающегося цилиндра. Благодаря патенту он вошел в историю под названием ротор Флеттнера.
В 1924 году со стапелей кораблестроительного завода в Киле сошел переоборудованный парусник «Букау», на котором, по заказу инженера, паруса заменили двумя вертикальными цилиндрами. Высота каждого составляла 13 метров, а диаметр — три метра. Роторы Флеттнера вращались с помощью электромоторов мощностью 11 киловатт каждый со скоростью 750 оборотов в минуту. Сами электромоторы питались от электрогенераторов, которые, в свою очередь, приводились в движение обычными дизельными двигателями.
В своей конструкции Флеттнер видел два главных преимущества: простоту управления роторными парусами и их малую площадь, которая была по меньшей мере в десять раз меньше площади парусного вооружения. Первые выходы в море оказались успешными. Тогда инженер решил проводить масштабные испытания и заодно популяризовать свое изобретение. «Букау» планировалось отправлять в дальние походы. Но для этого нужно было зарегистрировать судно, застраховать его и нанять команду. И этот путь начинался именно с Lloyd’s Register.
В 1926 году двухпарусное роторное судно «Букау» предстало перед экспертами классификационного общества. Несмотря на необычный вид, оно имело дизельные двигатели и электромоторы, а значит, по действовавшим тогда правилам, могло быть смело записано в категорию
В ту пору пароходами считались все суда с паровыми или электрическими двигателями или двигателями внутреннего сгорания.
. Однако тут же выяснилось, что классического для пароходов движителя — винта — «Букау» не имел. Основная движущая сила формировалась силой ветра на вращающихся роторных парусах.
Так экспериментальное судно и было зарегистрировано сразу в двух категориях: «пароход» и «парусник». После этого «Букау» переименовали в «Баден-Баден», нанесли на борта белой краской надпись Flettner-Rotor и несколько раз отправили в походы. «Баден-Баден» успешно совершил рейсы вокруг Британских островов и Европы. И даже пересек Атлантический океан. Позже было построено новое крупное судно с тремя 17-метровыми роторами Флеттнера — «Барбара», которое выполнило несколько рейсов между Северным и Средиземным морями.
Конец эпохи Антона Флеттнера
Многочисленные испытания судов с роторами Флеттнера показали и еще одно преимущество перед обычными парусниками: они оказались способны идти на ветер в бейдевинде очень близко к положению левентик.
Поясним. Во время рейса парусник может сталкиваться со встречным ветром. Идти против ветра ни один парусный корабль не способен — парус начинает полоскать, он не создает подъемной силы, и судно в результате теряет ход, а потом его начинает сносить назад. Положение продольной линии корпуса корабля менее 22 градусов вправо или влево от направления встречного ветра и называется положением левентик.
Курс (то есть угол продольной оси корпуса судна) от 22 до 67 градусов влево или вправо от встречного ветра называется бейдевиндом. И при ходьбе на ветер парусники как раз и перемещаются этим курсом. Лучшие из них, с профессиональной командой и современным парусным вооружением, могут идти крутым бейдевиндом в 30–35 градусов. А чтобы сохранять общий курс точно на ветер парусники идут переменными галсами, то есть поворачивают корпус относительно направления воздушного потока то влево, то вправо.
А теперь представьте: судно с роторными парусами было способно идти переменными галсами бейдевиндом 25 градусов, а иногда и немного меньшим. Из-за таких необычных для парусников результатов и в целом крайне футуристичного вида про суда с роторами Флеттнера очень много писали газеты, превознося изобретение до небес. На деле же все было не так радужно.
Роторные паруса обеспечивали тягу значительно меньшую, чем обычные паруса. При этом судно с роторами Флеттнера расходовало много дизеля и было не таким
Ходкостью называют способность судна набирать и сохранять необходимую скорость хода при минимальных затрате мощности двигателей и запасов топлива.
, как простые парусники, которым топлива не требовалось вовсе. Кроме того, способность выполнять рейсы у судов с роторными парусами сильно зависела от ветра в море, из-за чего следовать точно расписанию было практически невозможно.
Словом, к 1940-м годам о роторах Флеттнера забыли — ходить по морям на парусной или дизельной тяге было дешевле и надежнее. А «Баден-Баден», «Барбара» и еще несколько небольших судов канули в Лету. Первое судно затонуло в 1931 году во время шторма в Карибском море, а второе — было в конце концов переоборудовано в обычное дизельное с винтами.
Возрождение имени Жака-Ива Кусто
В 1985 году океанограф, фотограф, режиссер, писатель, изобретатель (и кто только не) Жак-Ив Кусто приобрел парусное судно «Алкиона». На нем планировалось испытать новое изобретение Капитана Кусто и его коллеги Люсьена Малавара — турбопарус. Увидеть экспериментальный корабль можно в фильме «Повторное открытие мира», в котором «Алкиона» ходила по морям вместе с легендарным «Калипсо», переделанным из бывшего британского минного тральщика. В 1996 году «Калипсо» затонула, а ее место в экспедициях заняла яхта «Алкиона».
Турбопарус Кусто внешне очень напоминал ротор Флеттнера, но действовал несколько иначе. Это была высокая полая конструкция, имеющая в сечении яйцеобразную форму. Справа и слева в ней были смонтированы воздухозаборники, которые можно было закрывать. А внутри стояли воздушные насосы — вентиляторы. Принцип работы был довольно прост. С одной стороны воздухозаборник открывался, а с другой — закрывался одновременно с включением воздушного насоса. Тот затягивал воздух, уменьшая давление с одной из сторон турбопаруса. В результате возникала движущая сила, перпендикулярная направлению ветра, как и в роторах Флеттнера.
Сами турбопаруса можно было немного поворачивать с помощью электромоторов, чтобы они занимали наиболее эффективное положение относительно ветра. Обычно турбопаруса «Алкионы» использовались в помощь традиционным топливным двигателям, вращавшим водяные винты. Но при сильном ветре они позволяли яхте эффективно передвигаться и без дизелей. При этом многолетние испытания показали, что совместное использование традиционных движителей и турбопарусов снижало потребление топлива почти на 30 процентов. Впечатляющая экономия. Настолько, что в 1997 году Кусто задумал построить новое исследовательское судно «Калипсо II», но воплотить мечту не успел.
Возвращение роторов Флеттнера
Эксперименты Капитана Кусто на «Алкионе» крайне заинтересовали судостроительные компании и морских перевозчиков. Все-таки в условиях роста цен на топливо возможность 30-процентной экономии открывает отличные перспективы. И начались эксперименты со строительством небольших испытательных судов. В 1990-х годах частные изобретатели создали несколько таких плавсредств. А в 2007 году небольшой катамаран UniKat Flensburg с роторным парусом сделали студенты Фленсбургского университета.
Что интересно, прорабатывать идею турбопаруса Кусто не стали, предпочтя именно простые роторы Флеттнера. Дело в том, что турбопарус — конструкция довольно сложная: вентиляторы внутри нее, клапаны, перекрывающие воздухозаборники, система поворота паруса. В довесок ко всему этому — несколько датчиков, по показаниям которых определялось оптимальное положение паруса относительно воздушного потока. В то же время ротору Флеттнера ничего этого не требуется — просто вращающаяся труба.
В 2008 году немецкая компания Enercon, производящая ветряные электростанции, спустила на воду транспортный корабль E-Ship 1 длиной 130 метров и
то есть суммой всех масс судна, исключая его собственную: грузы, топливо, масла, экипаж, пассажиры и так далее
10,5 тысячи тонн.
В носовой и кормовой части судна установлены по два ротора Флеттнера высотой 27 метров и диаметром четыре метра. Вдобавок к ним, на судне имеются девять дизельных двигателей, которые вращают носовые и кормовые маневровые водяные винты, а также кормовые ходовые.
Роторы Флеттнера приводятся в движения турбинами Siemens, работающими за счет энергии отработанных газов от двигателей. Роторные паруса могут вращаться по часовой стрелке или против нее с частотой до 300 оборотов в минуту. Эти параметры выбираются в зависимости от силы и направления ветра. При этом роторные паруса не используются в качестве самостоятельных движителей, а лишь помогают классическим водяным.
В 2010 году E-Ship 1 совершило первый коммерческий рейс из Эмдена в Ирландию с грузом из девяти ветрогенераторов. Оно активно используется и сегодня для доставки продукции Enercon. В 2013 году компания отчиталась о результатах использования роторов Флеттнера — на скорости 16 узлов, что примерно равно 30 километрам в час, такие паруса дают экономию топлива в 30–40 процентов.
С 2010-х годов роторные паруса постепенно стали набирать популярность. Так в 2018 году финская паромная компания оснастила роторными парусами судно «Вайкинг Грейс». Оно используется для пассажирских рейсов. В том же году финское грузовое судно «Фен Поллакс» 1996 года постройки, принадлежащее компании Bore, получило ротор Флеттнера.
Также в 2018 году двумя роторными парусами компании Norsepower собственный танкер «Пеликан» оснастила транспортная компания Maersk. А спустя три года Norsepower установила пять роторных парусов на транспортник компании Vale, перевозивший железную руду. Что интересно, эти роторные паруса были выполнены наклоняющимися, чтобы судно могло проходить под мостами. Двумя паромами — «Копенгаген» и «Берлин» — с роторами Флеттнера сегодня владеет компания Scandlines. А американская Airbus с 2026 года начнет получать транспортные корабли с такими парусами для перевозки фрагментов фюзеляжей между своими заводами. Всего авиапроизводитель заказал шесть судов.
Во всех случаях роторные паруса — всего лишь вспомогательные движители, которые, впрочем, дают заметную экономию топлива. На коротких маршрутах она составляет в среднем 10 процентов, а на протяженных — до 40 процентов. Если, конечно, рейс проходит в ветреную погоду.
Самолетам не повезло
По сути, что ротор Флеттнера, что турбопарус Кусто представляют собой некий аналог самолетного крыла. Во всяком случае принцип действия очень похож — создание разницы давлений по разные стороны объекта для формирования движущей или подъемной силы. И логично, что в начале XX века, примерно в то же время, когда Флеттнер экспериментировал со своими парусами, немецкий математик Мартин Кутта и русский ученый-механик Николай Жуковский занялись разработкой теории подъемной силы тела, обтекаемого плоскопараллельным потоком газа.
Сегодня их выкладки в России известны как теорема
а во всем остальном мире — как теорема Кутты — Жуковского
. Помимо прочего, они описали и возможность использования вращающегося горизонтального цилиндрического крыла для создания на нем подъемной силы. Эту идею в 1910-х — 1920-х годах использовали несколько изобретателей.
Так в 1930 году совершил короткий полет модифицированный гидроплан Plymouth A-A-2004 с вращающимся цилиндрическим крылом. Полет был только условно успешным, поскольку вся конструкция сильно зависела от ветра и была плохо управляемой как раз из-за вращающегося крыла. При этом за движение вперед в самолете отвечал все тот же классический движитель — воздушный винт в передней части. Эта разработка так и не была доведена до конца.
В начале 1930-х французский изобретатель Жан де Шапеделен представил прототип летательного аппарата с цилиндрическим крылом на базе биплана Caudron C.270 Luciole. В 1934 году самолет совершил полет, во время которого и разбился. Свидетельств о том, вращалось ли цилиндрическое крыло самолета или нет, не сохранилось. Однако француз вошел в историю как изобретатель жироптера Шапеделена.
У него не было цилиндрического крыла, но не рассказать о нем нельзя. Обтекаемый корпус на колесах имел по бокам бочкообразные конструкции с отверстиями. Его планировалось оснастить мотором мощностью 40 лошадиных сил, который бы приводил в движение вентилятор. Тот через воздухозаборники в крыше всасывал бы воздух, а затем выдувал через отверстия в бочкообразных конструкциях, а также сопла в передней и задней части. Жироптер фактически стал предвестником самолетов с вертикальными взлетом и посадкой.
Шапеделен построил лабораторную модель жироптера. Она имела в длину 48 сантиметров, в ширину 24 сантиметра, электромотор и две турбины диаметром 15 сантиметров, которые вращались со скоростью около семи тысяч оборотов в минуту. Модель жироптера, питаемая по проводу, могла взлетать и зависать в воздухе.
Конструкция летательных аппаратов с цилиндрическим крылом, прозванных также самолетами Флеттнера, не прижилась из-за своей малой эффективности и плохой управляемости. В 1997 году американский изобретатель Патрик Пибблз все-таки попытался применить аналог турбопаруса Кусто в небольшом самолете. Он предложил разместить широкий горизонтальный вентилятор в передней консоли крыла таким образом, чтобы он обдувал всю его верхнюю поверхность. Правда, дальше пары небольших беспилотников дело не пошло.
***
На волне борьбы за экологию и снижение потребления топлива морскими судами сегодня роторы Флеттнера получили вторую жизнь: транспортные суда постепенно оснащаются такими парусами, а крупные компании, такие как Airbus, размещают на них заказы. Да и в целом на парусное вооружение морские перевозчики, похоже, возлагают определенные надежды — недаром периодически появляются новости о проектах судов с кайтами. Но это уже совсем другая история.