Идея обрела реальные черты, когда Жак-Ив Кусто встретился с членом французской Академии наук Люсьеном Малаваром. Ученый вместе со своим молодым коллегой Бертраном Шарье уже давно работал над использованием хорошо известного гидродинамикам эффекта Магнуса.
В 1952 г. Магнус обнаружил, что, если поставленный поперек воздушного потока круговой цилиндр вращать, то на нем создается аэродинамическая сила, направленная перпендикулярно оси цилиндра и направлению ветра. Используя этот принцип, немецкий судостроитель А. Флеттнер построил несколько судов (в том числе и 11-метровую яхту), на которых вместо парусов были установлены вертикальные вращающиеся цилиндры — роторы . При вымпельном ветре, дующем прямо в борт, аэродинамическая сила была направлена прямо по курсу судна. Хотя работоспособность идеи была доказана, она не получила широкого коммерческого распространения. Довольно не просто сделать цилиндр большого диаметра, легко вращающийся в условиях морской качки.
Чтобы понять существо предложения Малавара, напомню картину обтекания потоком воздуха кругового цилиндра. Если цилиндр не вращается, то на его подветренной поверхности поток воздуха образует завихрения, создается разрежение давления. Разность давлений на наветренной и подветренной поверхностях, просуммированная по площади сечения цилиндра, и будет силой, движущей судно. Естественно, что движение возможно только с попутными ветрами, а эффективность цилиндра много меньше прямых парусов.
Если цилиндр вращается, то вследствие сил вязкости воздуха в движение вовлекаются его слои, соприкасающиеся с поверхностью цилиндра. На одной из сторон цилиндра направление вращающихся частиц воздуха в этих слоях совпадает с направлением ветра — скорость их увеличивается, а давление в потоке падает. На противоположной стороне цилиндра «прилипшие» к его поверхности частицы столкнутся со встречным потоком воздуха, — здесь скорость замедлится, а давление возрастет. Таким образом, соответственно подобрав скорость вращения ротора относительно скорости ветра, можно добиться существенного роста аэродинамической силы тяги, по сравнению с неподвижным цилиндром. А главное, судно, снабженное вращающимся ротором, сможет ходить на всех курсах относительно ветра вплоть до бейдевинда.
Идея Малавара состояла в том, чтобы добиться необходимой разности давлений на поверхностях цилиндра не за счет его вращения, а путем отсоса воздуха из подветренной зоны через продольную щель — сопло в полость цилиндра. Для большей эффективности цилиндру придали сечение, близкое к овалу — получилось «толстое» аэродинамическое крыло. На его верхнем конце установили мощный вентилятор, который отсасывает воздух из полости крыла, создавая тем самым разрежение на задней стороне профиля крыла у сопла.
Профиль крыла, вентилятор и сопло спроектировали с такой же тщательностью, как и при разработке крыла реактивного сверхзвукового самолета. Хвостовая часть крыла устроена таким образом, что площадь проходного сечения сопла может изменяться в зависимости от силы ветра. 8се крыло может поворачиваться для установки его под наивыгоднейшим углом к вымпельному ветру на любом курсе судна.
Информация об изображении
Теоретический чертеж «Алкионы», выполненный графопостроителем с помощью ЭВМ
Первая алюминиевая мачта-крыло, изготовленная по чертежам Малавара и Шарье на катеростроительном заводе, была установлена на 22-метровом экспериментальном катамаране Кусто «Мулен а ван» («Ветряная мельница»). С сентября 1980 г. до июля 1981 г. было сделано более 350 плаваний по озеру Берр близ Марселя, затем «Мулен а ван» вышел в Средиземное море и отправился для окончательных испытаний в трансатлантический переход. Между Азорскими и Бермудскими островами тяжелый катамаран перенес несколько жестоких штормов, во время которых получили повреждение конструкции крепления мачты-крыла.
Теоретический чертеж «Алкионы», выполненный графопостроителем с помощью ЭВМ
После небольшого ремонта «Мулен а ван» вновь вышел в зимнюю Атлантику (дело происходило в декабре) и снова попал в сильный шторм; крыло окончательно сломалось. Однако проведенные испытания показали большие потенциальные возможности «турбосэйла», как назвали свой вариант ветродви жителя Малавар и Кусто.
В сентябре 1984 г. Кусто нашел нового покровителя — компанию «Пешино», выпускающую среди прочих изделий алюминиевый прокат. Экспертов фирмы, ознакомившихся с результатами испытаний «турбосэйла», привлекла перспектива оснащения ветродвижителями множества малых и средних коммерческих судов, а следовательно, и получения прибыли для компании. Администрация «Пешино» поспешила приобрести патент на «турбосэйл» и выделила 6 миллионов долларов на обширную программу опытно-конструкторских работ.
Основные данные «Алкионы»
| Длина наибольшая, м | 31,10 |
| Длина по ватерлинии, м | 27,55 |
| Ширина наибольшая, м | 8,92 |
| Осадка корпусом/килем, м | 0,80/2,34 |
| Высота борта, м | 2,65 |
| Водоизмещение, т | 65 |
| Вес балласта, т | 10 |
| Двигатели: дизели «Ивеко-Фиат» мощностью | 156 л. с. |
| Ветродвижители: | |
| два крыла высотой | 10,2 м; |
| хорда профиля | 2,05 м |
| толщина | 1,35 м |
| площадь проекции | 21 м2 |
| Привод вентиляторов — гидравлический, мощностью по | 25 л. с. |
| Запас топлива | 20 г |
| Запас пресной воды | 2 т |
| Электростанция — два дизель-генератора мощностью | по 60 кВт |
Так у Кусто появилась возможность построить «Алкиону»2 — экспериментальный парусник нового поколения. Корпус судна спроектировал известный яхтенный конструктор Андре Маурик. Его постройка длилась 10 месяцев на верфи в Ла-Рошели; одновременно на одном из заводов «Пешино» сооружались два «турбосэйла» усовершенствованной конструкции.
В программе «Пешино» «Алкионе» отводится определенная роль: после трансатлантического перехода судно в течение двух лет должно совершить кругосветное плавание, заходя в многочисленные порты разных стран. Здесь на борту «Алкионы» побывают сотни судовладельцев, чтобы ознакомиться наяву с преимуществами, которые даст ветродвижитель в коммерческом мореплавании будущего. Позже «Алкиона» будет полностью отдана в распоряжение Кусто. На ее борту ученые-океанографы смогут отправиться в экспедицию в любой район мирового океана.
Маурик спроектировал исследовательский корабль с минимальными для этой цели размерениями — длиной 31 м и водоизмещением 65 т, рассчитанный на экипаж из 14 человек. Корпус «Алкионы» вместительный, но достаточно быстроходный. У форштевня это — типичное однокорпусное судно, но в кормовой части сильно напоминает катамаран. Два плавниковых киля в средней части увеличивают сходство судна с парусной яхтой. Впрочем, кили являются обязательным атрибутом любого парусника, который должен ходить острыми курсами к ветру.
Цельносварной корпус «Алкионы» изготовлен из алюминиевого сплава и уже при первом плавании через Атлантику проявил превосходные мореходные качества и прочность. Двухвинтовая дизельная установка обеспечивает отличную управляемость в различных условиях плавания.
Мне удалось побывать на борту «Алкионы» во время постройки в Ла-Рошели и за много миль от порта приписки — на Бермудах. Первое, что ощущаешь, оказавшись на палубе: это — настоящий корабль, а не яхта. Здесь все в первую очередь подчинено эффективности и целесообразности, а не элегантности. Белый корпус и палуба с нескользящим покрытием снабжены простыми дельными вещами. Судно и его две мачты-крыла способны противостоять ураганному ветру скоростью до 100 миль в час (50 м/с). При более сильном ветре, что встречается весьма редко, экипажу придется развернуть мачты в положение наименьшего лобового сопротивления и уходить с попутным ветром.
Большая часть внутренних помещений отведена под каюты экипажа, лаборатории, кабинеты, камбуз и впечатляющую своим электронным оборудованием штурманскую рубку. Рядом с навигационными приборами здесь разместились ЭВМ, телекс, система спутниковой связи. Полученные в процессе исследований данные из любой точки планеты могут быть в считанные секунды переданы через спутники в Париж на главный компьютер института Кусто.
Носовую часть занимает машинное отделение; жилые каюты и служебные помещения расположены в кормовой надстройке.
«Алкиона» — полностью «компьютеризованное» судно; она оснащена приборами и электроникой даже лучше многих современных коммерческих судов. И это тоже реклама — посещение «Алкионы» должно наглядно продемонстрировать судовладельцам, какими будут парусники завтрашнего дня. Пока судно Кусто совершает свой кругосветный вояж, на одной из французских верфей уже сооружается танкер дедвейтом 3000 т для перевозки химикалиев, оснащенный «турбосэйлами».
Главная цель применения «турбосэйла» — не заменить полностью традиционные механические двигатели, а снизить эксплуатационные расходы. Судно, оснащенное «турбосэйлом», затратит на 15—35% меньше топлива, чем обычный теплоход на таком же рейсе,— все зависит от преобладающей скорости ветра. Расчеты, сделанные для «парусника» водоизмещением 30000 т с ветродвижителями Малавара, показывают, что при 200 ходовых сутках в год расходы на топливо сократятся на 2 млн. франков и затраты на постройку судна окупятся в срок от двух до пяти лет эксплуатации. Как пытаются убедить судовладельцев специалисты фирмы «Пешино», уже сейчас 90% коммерческих судов, находящихся в эксплуатации, могут быть оснащены «турбосэйлами».
В первый же свой трансатлантический вояж «Алкиона» продемонстрировала эффект от применения ветродвижителей.
При ветре 11—12 м/с скорость судна повышается с 8,5 до 10,2 узла при сохранении частоты вращения двигателей. Снизив же их обороты до достижения экономической скорости В уз (под дизелями и ветродвижителями), можно сэкономить до 55% топлива. В этом же рейсе полностью подтвердилась эффективность системы компьютеризованного управления элементами «турбосэйла», автоматически определяющего оптимальную производительность вентиляторов, отсасывающих воздух, открытие сопла и угол разворота мачт-крыльев.
Примечания
1. Об использовании эффекта Магнуса для движения судов и роторных судах читайте в «КиЯ» №104.
2. Алкиоиа (греч. Зимородок) — персонаж древнегреческой мифологии, одна из Плеяд. Дочь Атланта и возлюбленная Посейдона.