Den berömda dokumentarserien Cousteau Teams Underwater Odyssey sköts av den stora franska oceanografen på 1960 - 1970-talet. Cousteaus huvudfartyg konverterades sedan från den brittiska gruvvägaren "Calypso". Men i en av de efterföljande filmerna - "Rediscovery of the World" - dök ett annat fartyg ut, yachten "Alcyone".
När man tittade på det ställde många tittare sig frågan: vad är dessa konstiga rör installerade på yachten? Kanske är det rör från pannor eller framdrivningssystem?
Föreställ dig din förvåning om du upptäcker att det här är SAILS … turbosails …
Cousteau-fonden förvärvade yachten "Alkion" 1985, och detta fartyg ansågs inte så mycket som ett forskningsfartyg, utan som en bas för att studera effektiviteten i turboseglar - det ursprungliga fartygets framdrivningssystem. Och när den legendariska "Calypso" sjönk, 11 år senare, tog "Alkiona" henne plats som expeditionens huvudfartyg (förresten, idag är "Calypso" uppvuxen och befinner sig i ett halvt plundrat tillstånd i hamnen i Concarneau).
I själva verket uppfanns turbosailen av Cousteau. Förutom dykutrustning, en undervattensskål och många andra apparater för att utforska djupet i havet och havets yta. Idén föddes i början av 1980-talet och var att skapa det mest miljövänliga, men samtidigt bekväma och moderna framdrivningssystemet för en vattenfågel. Användningen av vindkraft verkade vara det mest lovande forskningsområdet. Men här är olyckan: mänskligheten uppfann ett segel för flera tusen år sedan, och vad kan vara enklare och mer logiskt?
Naturligtvis förstod Cousteau och hans företag att det var omöjligt att bygga ett fartyg som uteslutande drivs med segel. Mer exakt, kanske, men dess körprestanda kommer att vara mycket medioker och beroende på vagarierna i väder och vindriktning. Därför planerades det ursprungligen att det nya "seglet" endast skulle vara en hjälpkraft som kan användas för att hjälpa konventionella dieselmotorer. Samtidigt skulle en turbosegel minska dieselbränsleförbrukningen avsevärt, och i en stark vind kan det bli fartygets enda framdrivning. Och forskarteamets utseende vände sig till det förflutna - till uppfinningen av den tyska ingenjören Anton Flettner, den berömda flygplansdesignern, som gjorde ett betydande bidrag till varvsindustrin.
Kampanjvideo:
Turboseglet är en ihålig cylinder utrustad med en speciell pump. Pumpen skapar ett vakuum på en sida av turbilsilen, pumpar luft i seglet, den yttre luften börjar strömma runt turbilsilen med olika hastigheter och fartyget börjar röra sig i en riktning vinkelrätt mot lufttrycket. Detta är mycket lik hissen som verkar på en flygvinge - trycket från vingens botten är större och flygplanet trycker uppåt. Turboseglet gör att fartyget kan röra sig mot vind, så länge det finns tillräckligt med pumpkraft. Det används som hjälpsystem för en konventionell marinmotor. Två turbosseglar installerade på fartyget från Cousteau-teamet "Alkion" gjorde det möjligt att spara upp till 50% bränsle.
Flettners rotor och Magnus-effekten
Den 16 september 1922 fick Anton Flettner ett tyskt patent för det så kallade rotationsfartyget. Och i oktober 1924 lämnade ett experimentellt rotationsfartyg Buckau beståndet i varvsindustriföretaget Friedrich Krupp i Kiel. Det är riktigt att skonaren inte byggdes från grunden: innan installationen av Flettners rotorer var det ett vanligt segelfartyg.
Flettners idé var att använda den så kallade Magnus-effekten, vars kärna är följande: när en luft (eller vätska) strömmar runt en roterande kropp genereras en kraft som är vinkelrätt mot flödesriktningen och verkar på kroppen. Faktum är att ett roterande objekt skapar en virvelrörelse runt sig själv. På sidan av föremålet, där virvelens riktning sammanfaller med riktningen för flödet av vätska eller gas, ökar mediets hastighet, och från motsatt sida minskar det. Skillnaden i tryck och skapar en skjuvkraft riktad från sidan där rotationsriktningen och flödesriktningen är motsatt, till den sida där de sammanfaller.
"Flettner-vindskeppet ligger på allas läppar tack vare utomordentligt ivriga tidningspropaganda," skrev Louis Prandtl i sin artikel om utvecklingen av en tysk ingenjör.
Denna effekt upptäcktes 1852 av den berlinska fysikern Heinrich Magnus.
Magnuseffekt
Den tyska luftfartsingenjören och uppfinnaren Anton Flettner (1885–1961) gick ner i navigationshistorien som en man som försökte byta ut segel. Han hade en chans att resa länge på ett segelfartyg över Atlanten och Indiska oceanerna. Många segel sattes på masten för segelfartyg från den tiden. Segelutrustningen var dyr, komplex och aerodynamiskt inte särskilt effektiv. Ständiga faror väntar på sjömän, som även under en storm var tvungna att segla i 40-50 meters höjd.
Under resan hade den unga ingenjören tanken att byta ut seglen, som kräver mer ansträngning, med en enklare men effektiv anordning, vars huvudsakliga framdrivning också skulle vara vinden. Han funderade på detta och erinrade om aerodynamiska experiment utförda av hans landsmässig fysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). De fann att när en cylinder roterar i ett luftflöde uppstår en tvärkraft med en riktning beroende på cylinderns rotationsriktning (Magnus-effekt).
Ett av hans klassiska experiment såg ut så här:”En mässingscylinder kunde rotera mellan två punkter; snabb rotation av cylindern överfördes, som i en topp, av en sladd. Den roterande cylindern placerades i en ram, som i sin tur lätt kunde roteras. En stark luftstråle skickades till detta system med en liten centrifugalpump. Cylindern avvikde i en riktning vinkelrätt mot luftströmmen och till cylinderaxeln, dessutom i den riktning från vilken rotationsriktningarna och strålen var desamma "(L. Prandtl" Magnus Effect and a Wind Ship ", 1925).
A. Flettner trodde genast att seglen kunde bytas ut med roterande cylindrar installerade på fartyget.
Det visar sig att där cylinderns yta rör sig mot luftflödet minskar vindhastigheten och trycket ökar. På den andra sidan av cylindern är det motsatta sant - luftflödet ökar och trycket minskar. Denna skillnad i tryck från olika sidor av cylindern är den drivande kraften som får fartyget att röra sig. Detta är den grundläggande principen för roterande utrustning som använder vindkraften för att förflytta fartyget. Allt är mycket enkelt, men bara A. Flettner "gick inte förbi", även om Magnus-effekten har varit känd i mer än ett halvt sekel.
Han började genomföra planen 1923 på en sjö nära Berlin. Egentligen gjorde Flettner en ganska enkel sak. Han installerade en papperscylinderrotor ungefär en meter i höjd och 15 cm i diameter på en meter lång testbåt och anpassade en klockmekanism för att rotera den. Och båten seglade bort.
Segelfartygets kaptener hånade A. Flettners cylindrar, som han ville byta ut seglen med. Uppfinnaren lyckades intressera rika beskyddare av konst med sin uppfinning. 1924, istället för tre master, installerades två rotorcylindrar på den 54 meter stora skonaren "Buckau". Dessa cylindrar drivs av en 45 hk dieselgenerator.
Bucaus rotorer drivs av elmotorer. Egentligen var det ingen skillnad från de klassiska experimenten av Magnus i designen. På sidan, där rotorn roterade mot vinden, skapades ett område med ökat tryck, på motsatt sida, ett lågtrycksområde. Den resulterande kraften är det som drev fartyget. Dessutom var denna kraft ungefär 50 gånger större än kraften för vindtryck på en stationär rotor!
Detta öppnade stora möjligheter för Flettner. Bland annat var rotorområdet och dess massa flera gånger mindre än seglingsriggens område, vilket skulle ge lika drivkraft. Rotorn var mycket lättare att kontrollera och det var ganska billigt att tillverka. Från ovan täckte Flettner rotorerna med plattplan - detta ökade drivkraften med ungefär två gånger på grund av korrekt orientering av luftflödena relativt rotorn. Den optimala höjden och diametern på rotorn för "Bukau" beräknades genom att blåsa en modell av det framtida fartyget i en vindtunnel.
Cousteau turbosailboat - För 2011 är Alkiona det enda fartyget i världen med en Cousteau turbosail. Den stora oceanografens död 1997 upphörde byggandet av det andra sådana fartyget, Calypso II, och andra varvsindustrier fruktar den ovanliga designen …
Flettners rotor visade sig vara utmärkt. Till skillnad från ett vanligt segelfartyg var ett rotationsfartyg praktiskt taget inte rädd för dåligt väder och stark sidvind, det kunde lätt segla växlande tackar i en vinkel på 25º mot motvinden (för ett normalt segel är gränsen cirka 45º). Två cylindriska rotorer (höjd 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det möjligt att balansera fartyget perfekt - det visade sig vara mer stabilt än segelbåten som Bukau var innan omstruktureringen. Testen genomfördes i lugn och i storm och med avsiktlig överbelastning - och inga allvarliga brister identifierades. Det mest fördelaktiga för fartygets rörelse var vindriktningen exakt vinkelrätt mot fartygets axel, och rörelseriktningen (framåt eller bakåt) bestämdes av rotorns rotationsriktning.
I mitten av februari 1925 seglade skonaren Buckau, utrustad med Flettners rotorer istället för segel, från Danzig (nu Gdansk) till Skottland. Vädret var dåligt och de flesta segelbåtar vågade inte lämna hamnarna. I Nordsjön fick Buckau allvarligt ta itu med starka vindar och stora vågor, men skonaren hälde ombord mindre än andra segelbåtar.
Under denna resa var det inte nödvändigt att kalla besättningsmedlemmarna till däck för att byta segel beroende på vindens styrka eller riktning. Det räckte med en navigatör på klockan, som utan att lämna styrhuset kunde kontrollera rotorns aktivitet. Tidigare bestod besättningen på en tremastad skönare av minst 20 sjömän, efter att det omvandlats till ett rotationsfartyg räckte det med 10 personer.
Samma år lade varvet grunden för det andra rotationsfartyget - den mäktiga lastfodret "Barbara", drivet av tre 17-meter rotorer. Samtidigt räckte en liten motor med en kapacitet på endast 35 hk för varje rotor. (vid maximal rotationshastighet för varje rotor 160 varv / minut)! Rotorens drivkraft motsvarade den för en propellerdriven propell kopplad till en konventionell fartygsdieselmotor med en kapacitet på cirka 1000 hk. Men fartyget hade också en dieselmotor: förutom rotorerna startade det en propell (som förblev den enda framdrivningsanordningen i händelse av lugnt väder).
Lovande experiment fick rederiet Rob. M. Sloman från Hamburg att bygga skeppet Barbara 1926. Det planerades i förväg att utrusta turbostrålar - Flettners rotorer. På ett fartyg 90 m långt och 13 m brett monterades tre rotorer med en höjd av cirka 17 m.
Barbara har framgångsrikt transporterat frukt från Italien till Hamburg under en tid, som planerat. Cirka 30-40% av resetiden fartyget seglade på grund av vindkraften. Med en vind på 4-6 poäng utvecklade "Barbara" en hastighet på 13 knop.
Det var planerat att testa det roterande fartyget på längre resor i Atlanten.
Men i slutet av 1920-talet slog det stora depressionen. 1929 vägrade charterföretaget att hyra Barbara ytterligare och såldes. Den nya ägaren tog bort rotorerna och konverterade fartyget enligt det traditionella schemat. Ändå var rotorn underordnad skruvpropellerna i kombination med ett konventionellt dieselkraftverk på grund av dess beroende av vinden och vissa begränsningar i kraft och hastighet. Flettner vände sig till mer lovande utforskning och Baden-Baden sjönk så småningom under en storm i Karibien 1931.
Och de glömde från rotationsseglar länge …
Det verkar som om början på rotfartyg var ganska framgångsrik, men de fick inte utveckling och glömdes länge. Varför? Först kastade "far" till rotationsfartyg A. Flettner in i skapandet av helikoptrar och upphörde att vara intresserad av sjötransport. För det andra, trots alla deras fördelar, förblev rotationsfartyg segelfartyg med sina inneboende nackdelar, vars huvudsakliga är beroende av vinden.
Flettners rotorer var återigen intresserade av 80-talet av det tjugonde århundradet, när forskare började föreslå olika åtgärder för att mildra klimatuppvärmningen, minska föroreningar och mer rationell användning av bränsle. En av de första som kom ihåg dem var den franska utforskaren Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). För att testa turboseglingssystemets funktion och minska bränsleförbrukningen omvandlades den tvåmastade katamaranen "Alcyone" (Alcyone är dotter till vindens gud Aeolus) till ett roterande fartyg. Seglade 1985, han reste till Kanada och Amerika, cirklade Cape Horn, förbi Australien och Indonesien, Madagaskar och Sydafrika. Han överfördes till Kaspiska havet, där han seglade i tre månader och gjorde olika studier. Alcyone använder fortfarande två olika framdrivningssystem - två dieselmotorer och två turboseglar.
Turbo-segla Cousteau
Segelbåtar byggdes under hela 1900-talet. I moderna fartyg av denna typ vikas seglingsvapen med hjälp av elmotorer; nya material gör det möjligt att väsentligt lättare strukturen. Men en segelbåt är en segelbåt, och idén att använda vindkraft på ett radikalt nytt sätt har varit i luften sedan Flettners dagar. Och hon plockades upp av den outtröttliga äventyraren och utforskaren Jacques-Yves Cousteau.
Den 23 december 1986, efter att Alcyone, som nämns i början av artikeln, lanserades, fick Cousteau och hans kollegor Lucien Malavar och Bertrand Charier gemensamt patent nr US4630997 för "en anordning som skapar kraft genom användning av en rörlig vätska eller gas." Den allmänna beskrivningen är som följer:”Enheten är placerad i en miljö som rör sig i en viss riktning; detta skapar en kraft som verkar i en riktning vinkelrätt mot den första. Enheten undviker användning av massiva segel där drivkraften står i proportion till segelområdet. " Vad är skillnaden mellan Cousteaus turbosail och Flettners rotations segel?
I tvärsnitt är en turbosail något som en långsträckt droppe avrundad från den vassa änden. På sidorna av "droppen" finns luftinloppsgaller, genom vilka en (beroende på behovet av att gå framåt eller bakåt) sugs ut luft. För det mest effektiva vindsuget i luftintaget installeras en liten fläkt som drivs av en elmotor på turboseglet.
Det ökar artificiellt luftrörelsens hastighet från segelens baksida och suger in luftströmmen i det ögonblick då den skiljs från turbo-seglets plan. Detta skapar ett vakuum på ena sidan av turbosegeln samtidigt som man förhindrar bildandet av turbulenta virvlar. Och sedan verkar Magnus-effekten: rarefaction på ena sidan, som ett resultat - en tvärkraft som kan sätta fartyget i rörelse. Egentligen är en turbosail en vertikalt placerad flygvinge, åtminstone principen om att skapa en framdrivande kraft liknar principen att skapa en flygplanslyft. För att säkerställa att turbosegeln alltid vrids mot vinden i den mest fördelaktiga riktningen, är den utrustad med speciella sensorer och installerad på en skivspelare. Förresten, Cousteau-patentet innebär att luft kan sugas ut från insidan av turbosegeln, inte bara av en fläkt, utan också till exempelluftpump - därmed stängde Cousteau grinden för efterföljande "uppfinnare".
Egentligen testade Cousteau för första gången en prototyp av en turbosegel på katamaranen Moulin à Vent 1981. Den största framgångsrika seglingen av katamaranen var en resa från Tanger (Marocko) till New York under övervakning av ett större expeditionsfartyg.
Och i april 1985, i hamnen i La Rochelle, lanserades Alcyone, det första fullfjädrade fartyget utrustat med turbosails. Nu är hon fortfarande på väg och idag är flaggskeppet (och faktiskt det enda stora fartyget) på Cousteau-flotilan. Turboseglarna på den är inte den enda drivaren, men de hjälper den vanliga kopplingen av två dieslar och flera propeller (som förresten gör det möjligt att minska bränsleförbrukningen med cirka en tredjedel). Om den stora oceanografen lever, skulle han förmodligen ha byggt flera fler liknande fartyg, men entusiasmen från hans medarbetare efter Cousteaus avgång minskade märkbart.
Strax före hans död 1997 arbetade Cousteau aktivt på projektet för fartyget "Calypso II" med en turbopail, men lyckades inte slutföra det. Enligt de senaste uppgifterna var "Alkiona" i vintern 2011 i hamnen i Caen och väntade på en ny expedition.
Flettner igen
Idag försöks återupplivas Flettners idé och få rotationsseglar till mainstream. Till exempel började det berömda Hamburgföretaget Blohm + Voss, efter oljekrisen 1973, aktiv utveckling av en roterande tankfartyg, men år 1986 täckte ekonomiska faktorer detta projekt. Då fanns ett antal amatördesign.
2007 byggde studenter vid universitetet i Flensburg en katamaran som drivs av ett roterande segel (Uni-cat Flensburg).
2010 dök det tredje fartyget någonsin med rotationsseglar - den tunga lastbilen E-Ship 1, som byggdes för Enercon, en av de största tillverkarna av vindkraftverk i världen. Den 6 juli 2010 sjösattes fartyget först och gjorde en kort resa från Emden till Bremerhaven. Och i augusti åkte han sin första arbetsresa till Irland med en last på nio vindkraftverk. Fartyget är utrustat med fyra Flettner-rotorer och, naturligtvis, ett traditionellt framdrivningssystem i händelse av lugn och för ytterligare kraft. Ändå fungerar rotationsseglar endast som extra propeller: för en 130-meters lastbil är deras kraft inte tillräckligt för att utveckla rätt hastighet. Motorerna är nio Mitsubishi-kraftverk och rotorerna roteras av en Siemens ångturbin.använder energin från avgaserna. Roterande segel sparar 30 till 40% bränsle med en hastighet av 16 knop.
Men Cousteaus turbosegel är fortfarande i en glömska: Alcyone är för närvarande det enda fartyget i full storlek med denna typ av framdrivning. De tyska varvsindustrins erfarenhet kommer att visa om det är vettigt att vidareutveckla temat för segel som verkar på Magnus-effekten. Det viktigaste är att hitta en ekonomisk motivering för detta och bevisa dess effektivitet. Och där ser ni, all världssändning kommer att flytta till principen som en begåvad tysk forskare beskrev för mer än 150 år sedan.
I Nordsjön 2010 kunde du se det konstiga fartyget "E-Ship 1". På det övre däcket finns fyra höga rundade skorstenar, men röken virvlar aldrig ut ur dem. Dessa är de så kallade Flettner-rotorerna, som ersatte traditionella segel.
Världens största vindkraftverkstillverkare Enercon lanserade den 2 augusti 2010 på Lindenau varv i Kiel, ett 130 meter 22 meter bredt roterande fartyg, som senare fick namnet "E-Ship 1". Sedan testades den framgångsrikt i Nord- och Medelhavsområdet och transporterar för närvarande vindkraftgeneratorer från Tyskland, där de produceras, till andra europeiska länder. Det utvecklar en hastighet på 17 knop (32 km / h), samtidigt transporterar mer än 9 tusen ton last, dess besättning är 15 personer.
Det Singapore-baserade rederiet Wind Again, en bränsle- och utsläppsminskningsteknologi, erbjuder specialdesignade Flettner-rotorer (hopfällbara) för tankfartyg och lastfartyg. De kommer att minska bränsleförbrukningen med 30-40% och kommer att betala sig inom 3-5 år.
Det finska mariningenjörsföretaget Wartsila planerar redan att anpassa sina turboseglar på kryssningsfärjor. Detta beror på önskan från den finska färjeföretaget Viking Line att minska bränsleförbrukningen och miljöföroreningar.
Användningen av Flettner-rotorer på fritidsbåtar studeras av universitetet i Flensburg (Tyskland). Stigande oljepris och alarmerande klimatuppvärmning verkar vara gynnsamma förhållanden för vindkraftverkens återgång.
Yachten designad av John Marples "Cloudia" är en ombyggd trimaran Searunner 34. Yachten testades först i februari 2008 i Fort Pierce, Florida, USA, och dess skapande finansierades av Discovery Channel. "Claudia" visade sig vara otroligt manövrerbar: hon stannade och startade omvänd på några sekunder och rörde sig fritt i en vinkel på cirka 15 ° till vinden. En märkbar förbättring av prestanda jämfört med den traditionella Flettner-rotorn beror på ytterligare tvärskivor monterade på de främre och bakre trimaran-rotorerna.