Жесткий парус крыло. Парус-крыло
Мы уже привыкли к тому, что парус рассчитывается как самолетное крыло, а при проектировании яхт используются методы, принятые в авиастроении. Это, однако, не мешает конструкторам, отдавая дань традициям, строить суда, принципиально мало отличающиеся от тех, что строились пятьдесят лет назад. Вероятно, совершенствование чисто гоночных яхт будет и в дальнейшем осуществляться путем незначительных изменений их конструкций и обводов. Можно ли считать, что парусники для туризма и отдыха, которые день ото дня приобретают все большую популярность, также сохранят классические яхтенные формы? Ведь если для спортсменов комфорт и даже риск опрокинуться не имеют существенного значения, то, скажем, для семейной прогулки под парусом уровень удобств на судне и безопасность плавания - далеко не безразличные вещи.
Джон Уокер - молодой английский ученый - поставил перед собой задачу решить эту проблему кардинально. Не обременяя себя заботами о традициях, он спроектировал и построил парусное судно, которое, по его мнению, наилучшим образом приспособлено для прогулочных плаваний. Конструкция «Плейнсейла» («Планирующего паруса») практически полностью рассчитана по методам авиастроения. От нормальной яхты, как сообщают осведомленные лица, в нем остались разве только якорь и якорный канат.
Основой судна (или «аппарата», как его называет сам конструктор) является тримаран, по обводам, однако, имеющий мало общего с известными судами этого типа. Средний корпус «Плейнсейла» больше всего напоминает глиссирующий катер с острыми скулами и плоским широким днищем. Как и на катере, места рулевого и пассажира расположены сразу за запалубленной носовой частью и ограждены спереди панорамным ветровым стеклом.
Длинные узкие поплавки «Плейнсейла» имеют несимметричную форму - они представляют собой как бы две части одного корпуса, разрезанного по диаметрали. Наружный выпуклый борт продолжается на полную высоту только на одной трети длины поплавков от носа; дальше он срезан до ватерлинии, и палуба идет наклонно, соединяя верхнюю кромку плоского внутреннего борта со скулой наружного.
Цель, которую преследовал Уокер, проектируя такую конструкцию, - получить минимальный вес и достаточную плавучесть - можно считать достигнутой. При длине 9,1 м «Плейнсейл» весит не более 600 кг. Еще около 200 кг приходится на систему аэро- и гидродинамических крыльев, которая и является главной и наиболее интересной частью конструкции судна.
Парусное вооружение «Плейнсейла» по принципу действия да и по внешнему виду почти точно копирует самолетную схему (чтобы нагляднее убедиться в этом, посмотрите фотоснимки самолетов времен первой мировой войны). Четыре жестких крыла общей площадью 26 м 2 с каркасом из алюминиевых трубок и обшивкой из стеклопластика при обтекании их воздушным потоком создают мощную подъемную силу. Если бы они были расположены горизонтально, то уже при ветре силой 8 баллов (18 м/сек) «Плейнсейл» мог бы взлететь в воздух (подъемная сила превысила бы вес судна).
Суммарная площадь крыльев составляет S=26 м 2 . Если поделить ее на водоизмещение D судна - найти характерное отношение:
по которому сравнивают энерговооруженность парусных судов, то получится, что ближе всего по этому показателю «Плейнсейл» стоит к наиболее быстроходным катамаранам и гоночным швертботам.
Известно, что быстроходные парусные суда ходят обычно под острыми углами к направлению ветра (направление вымпельного ветра W заметно смещается за счет встречного потока воздуха, возникающего в результате движения самого судна). В таких случаях выгодно иметь высокие узкие паруса, создающие большую подъемную силу при минимальном сопротивлении. Однако чем выше парус, тем больший крен вызывает действие приложенной к нему силы ветра. А это не только снижает эффективность парусного вооружения, но и ухудшает мореходность судна, Применив систему из четырех крыльев, Уокер получил возможность, не ухудшая аэродинамических качеств вооружения, значительно снизить центр парусности, и, следовательно, уменьшить действие ветра на крен судна.
Действительно, отношение сторон каждого крыла на «Плейнсейле» (их относительное удлинение) составляет около λ=6,5:1=6,5 (для сравнения, у катамаранов λ=3,6÷6). При таком же удлинении высота одного паруса площадью 26 м 2 составила бы 13 м. Некоторое снижение аэродинамического качества при замене одного крыла несколькими для скоростей, на которые может рассчитываться парусное судно, не имеет существенного значения.
Система параллельных крыльев («этажерка», как ее называют в авиации) на «Плейнсейле» дополняется пятым, играющим примерно ту же роль, что и рули высоты на самолете. С его помощью водитель имеет возможность, прикладывая минимум усилий, поворачивать «этажерку». Посмотрим, как это делается. Пятое крыло - триммер - соединено гибким тросом с рукояткой в кабине водителя (на фото Уокер держит ее правой рукой). В нормальном положении оно располагается параллельно направлению вымпельного ветра (под нулевым углом атаки). Допустим, есть необходимость развернуть всю крыльевую систему так, чтобы увеличить угол установки тянущих крыльев относительно ветра. Движением рукоятки отклоняем триммер так, что он будет иметь угол α относительно направления ветра. Тогда подъемная сила Y, приложенная к триммеру, благодаря большому плечу (расстояние между точкой приложения силы Y и осью вращения О), легко повернет всю систему на требующийся угол.
Если развернуть тянущие крылья параллельно направлению ветра (в левентик), судно ляжет в дрейф. При дальнейшей перекладке подъемная сила на крыльях изменит направление, и тримаран получит задний ход (чего нельзя добиться ни на каком другом парусном судне).
На принципе работы крыла действует и система управления судном. Штурвал, который держит Уокер, соединен жесткой тягой со стойками подводных крыльев, подвешенными на шарнирах в средней части поплавков. Угол атаки крыльев, нулевой в нормальном положении, поворотом штурвала изменяется так, что на одном поплавке он получает отрицательную величину (подъемная сила направлена вниз, крыло как бы загребает воду), а на другом положительную (подъемная сила, направленная вверх, частично выжимает поплавок из воды, уменьшая его сопротивление). Судно в результате получает небольшой крен и разворачивается в сторону притопленного поплавка. Такая система также была заимствована Уокером из авиации - известно, что самолет делает поворот в горизонтальной плоскости в большей мере за счет перекладки элеронов, чем с помощью отклонения вертикального руля поворота.
Нетрудно представить и другое назначение подводных крыльев на «Плейнсейле». Если есть возможность закренивать судно, то, действуя обратным порядком, можно и открепить его.
Например, судно идет правым галсом. Правый - наветренный поплавок при этом стремится выйти из воды, а левый - подветренный притапливается. Перекладываем штурвал так, чтобы за счет подъемной силы крыльев восстановить нарушенное равновесие, то есть удержать в воде правый и заставить привсплыть левый поплавки.
В связи с тем, что в поперечном направлении под днищем поплавков крылья установлены с наклоном 45°, подъемная сила на них направлена не вертикально, а под соответствующим углом. Горизонтальная составляющая этой силы направлена в сторону, противоположную дрейфу и, таким образом, уменьшает его величину, Этому способствуют также стойки крыльев, выполненные в виде пластин большой площади.
В корме на поплавках подвешены рули, служащие дополнительным средством управления судном. На конце каждого пера, представляющего собой длинную узкую пластину, имеется по небольшому горизонтальному крылу, которое играет роль концевой шайбы, увеличивающей эффективность работы рулей, а также, благодаря некоторому заданному углу атаки, воспринимает на прямом курсе часть нагрузки корпуса. Перекладка рулей осуществляется с помощью педали, установленной в кабине водителя.
Как видим, несмотря на необычность всей системы управления, пользоваться ею чрезвычайно просто. Можно согласиться с Уокером, что управлять «Плейнсейлом» даже человек, в жизни не ходивший под парусом, научится менее, чем за час. По крайней мере для этого не потребуется больше времени, чем нужно для того, чтобы освоиться с вождением катера. Кстати, система управления «Плейнсейла» (рычаг переключения «скоростей», соединенный тросом с триммером, и штурвал) по оформлению мало отличается от применяющейся на катерах и автомобилях, что несомненно еще более упрощает обучение.
Обозреватель английского журнала «Yachts and Yachting» Джек Найт, ознакомившись с конструкцией «Плейнсейла» в день его спуска на воду (16 мая 1968 г.), выразил свое мнение словами: «Возможно, перед нами яхта, которая в 1984 г. будет строиться огромными сериями». Трудно сказать, почему Найту понравился именно 1984 год. Одно несомненно - «странные» паруса, спроектированные Джоном Уокером, не останутся незамеченными яхтсменами и конструкторами, которые задумываются о будущем парусного спорта.
По льду Финского залива ко мне несется человек на коньках с необычайно большими лезвиями и с парусом в руках. Нет, я знаю, что существуют зимний кайтсерфинг и виндсерфинг, но это не они. Парус треугольный, похожий на бумажный самолетик, кажется, он висит у спортсмена на плече, как большая сумка.
Это и есть кайтвинг - так называемое крыло, похожее на недоделанный дельтаплан. Еще одно его название - скимбат. Это крыло человек держит руками за специальные железные перекладины, главная из которых (центральная) называется по-морскому - гик.
Все основано на правильной ловле потоков ветра. Когда гик смещается в одну или другую сторону относительно ветра, крыло начинает крениться. Появляется горизонтальная тяга, которая и тащит спортсмена вперед. Ему остается только держаться и управлять скоростью и направлением.
Кайтвинг помогает не только разогнаться, с его помощью можно по-настоящему взлететь - не только с горки, но и на ровной поверхности. При определенном положении крыла оно буквально отрывает от земли. И все это можно комбинировать: разогнаться до 60–70 км/ч (пределом пока считается сотня), а потом просто оттолкнуться и перелететь через препятствие - например, дорогу, машину или скалу. Да еще сделать в воздухе какой-нибудь умопомрачительный трюк.
Главная фишка кайтвинга: на ногах может быть решительно что угодно - сноуборд, горные лыжи, коньки, ролики, маунтинборд, скейтборд, дертсерф. А еще есть специальные доски, на которых можно кататься по воде. Короче, на ногах то, что больше нравится, в руках крыло, позволяющее разогнаться с помощью ветра, время года любое, место любое, погода любая, лишь бы ветер был.
Последнее условие - большая и ровная площадка: снежные поля, замерзшие озера, горы без растительности, пляж, асфальтовая площадка, - где можно разгоняться и поворачивать без ущерба для себя и оборудования.
Такие крылья придумали давно, сейчас они очень популярны в Финляндии и Швеции - странах, где много льда. Изначально конструкция была совсем простая: на две скрещенные палки натягивалась ткань - получался примитивный парус, позволявший разгоняться на коньках быстрее обычного. Говорят, есть даже рисунки XVII–XVIII веков, на которых изображены люди с такими «крыльями».
А современный скимбат придумали в конце 80-х. Сегодняшняя форма крыла считается совершенной, в Скандинавии их можно купить самой последней модели. Теперь создатели кайтвингов бьются над решением проблемы веса: среднее крыло весит около 7 кг, облегчение конструкции позволит кататься и при более слабом ветре. Для этого металлические части делают из карбона, что позволяет сбросить несколько килограммов. Правда, стоит такой парус сильно дороже.
Крыло и колхозница
Запомни: крыло над головой, задняя рука все время сверху, передняя снизу, - объясняет азы вице-чемпион мира по кайтвингу Денис Клещенок. Свои призовые места он занял на тех самых странных коньках на первенстве по зимним парусным видам спорта WISSA 2014. Огромные лезвия сделаны на заказ для большей маневренности.
Тут два основных движения: нос вверх-вниз - это управление тягой, то есть открытие крыла, и влево-вправо хвост и нос - это управление креном. В принципе, все.
Ветра почти нет, и мой друг Илья, на котором я решила проверить технологию кайтвинга, пыхтит, пытаясь удержать на себе парус. Все идет идеально, только когда в крыло дует ветер: тогда не спортсмен его несет, а он спортсмена. Зато когда ветер стихает, тут же обнаруживается, что ты держишь над головой большую конструкцию весом с крупную таксу.
Первые упражнения, которые я даю, - они просто на основы управления, - продолжает Денис. Показав, как правильно держать скимбат, он довольно опускает руки, нагружая ученика. - Я называю это «работа веслом»: надо половить ветер, понять, какой крен крылу он дает, что вообще происходит, и потом уже можно ехать - ты научился.
В этом еще одно важное отличие кайтвинга от его собратьев - виндсерфинга и кайтбординга: чтобы научиться ездить, достаточно максимум получаса. Новых адептов «крыловедения» привлекают и другие бонусы: отсутствие строп и прочих сложных приспособлений, легкость в обращении. Кайтвинг легко складывается и помещается в чехол, похожий на лыжный. При желании можно разжиться специальным поясом, трапе-цией, к которой крепится кайтвинг, - в пути это разгружает руки. Но это вовсе не обязательно.
Во что ты меня втянула? - бурчит Илья. Немного «поработав веслом», он на обычных хоккейных коньках устремляется вдаль по льду Финского залива, торжественно, в позе рабочего и колхозницы, неся над головой кайтвинг. Выглядит внушительно.
Оп, неправильно: против ветра сразу поехал, - комментирует Денис. - Видно, что ему тяжело. Хотя главная ошибка новичков - это вцепиться в крыло мертвой хваткой. В сильный ветер, если крыло сильно накренить, оно краем может зацепить поверхность. На льду это не страшно, а на снегу даже при скорости в 20 км/ч оно резко выворачивается, и ты летишь кубарем.
В мировом сообществе для этих случаев есть железное правило: Drop it to stop it! - брось, чтобы остановиться. Чтобы не потерять кайтвинг, можно использовать специальный страховочный пружинный шнур под названием «лиш»: одним концом он привязан к крылу, а другим к спортсмену, при необходимости растягивается на несколько метров.
В движении вес крыла совершенно не чувствуется, - Илья смог наконец подстроиться под ветер. - Ощущения вроде как с зонтом в шторм, когда он тащит тебя вперед, только тут не надо этому сопротивляться.
Главная сложность в жестком контроле кайтвинга, который крайне чувствителен к любым порывам ветра. Зато, если сладил, можно проехать где угодно.
Кайтвинг в деталях
Необходимые условия
Выбор спортивного снаряда для ног зависит от времени года. Сам кайтвинг всесезонен, крыло подбирается - по весу и прочим параметрам - один раз и может служить, пока не износится.
Разумеется, главное условие - хороший ветер. Конькам и роликам ветра нужно меньше - подойдет 4 м/с, лыжам и сноуборду по плотному снегу - 5–7 м/с, по мягкому - от 8. Самый сильный ветер нужен на воде - от 10 м/с, поэтому вставать на водную доску лучше тогда, когда все остальные способы опробованы. Верхней границы скорости ветра не существует, так как спортсмен сам регулирует тягу.
Места для катания
Что бы ни было на ногах, нужно выбрать ровную большую площадку: при сильном ветре на кочках и буераках будет не слишком комфортно. Летом отлично подойдет пляж или просто песчаный берег. Сгодятся и большие автомобильные стоянки, пустые дороги без деревьев. Зимой легче - достаточно выйти на любой лед. Строгино в Москве, Финский залив и Сестрорецкий Разлив в Петербурге, Обское море в Новосибирске - все подойдет, причем кататься можно как на лыжах, так и на коньках. Конечно, зимой можно поехать и в горы. Лучше всего подойдут невысокие с малой растительностью - например, Хибины или голые склоны для фрирайда на курорте Шерегеш в Кемеровской области. Опытные райдеры могут не только делать на кайтвинге различные трюки, но и подниматься в гору.
Цены
Модели кайтвинга различаются по размеру, как паруса у виндсерфинга или кайты. Самая ходовая модель - с площадью шкуры 5,5 м - стоит примерно 1200 евро. В России крылья можно заказать на сайте kitewing.su: это официальный дилер финского производителя. Искать за границей не имеет смысла: цены там такие же, как здесь. Представители производителя есть в Санкт-Петербурге и Москве, у них можно взять снаряд на прокат. Стоит это удовольствие, включая инструктаж, 1500 рублей в час.
Полезные советы
Главный совет: прежде чем брать крыло в руки, хорошо овладеть снарядом на ногах. Нужно стоять на нем уверенно, уметь маневрировать, резко тормозить, разгоняться. И всегда лучше кататься в защите, которая непременно включает в себя шлем. Можно даже в мотоциклетном - с открытым лицом и закрытым подбородком.
Не стоит забывать и о том, что, хоть с помощью кайтвинга и можно взлететь, предназначен он все же главным образом для развития скорости. Не стоит пытаться улететь с ним в небо: для Икара это плохо закончилось.
Движитель, выполненный в виде жесткого паруса, аналогичного по конструкции крылу планера или самолета, но имеющего симметричный профиль поперечного сечения. Применяется на буерах и парусных катамаранах, развивающих высокие скорости, при которых крыло работает на малых углах атаки и при больших числах Рейнольдса. Коэффициент подъемной силы при угле атаки 8° для симметричного профиля достигает 1, 6-1, 8 против 1 -1, 1 для тонкого выпуклостровогнутого профиля, каким является парус со сквозными латами. Еще более эффективен П-К., имеющий несимметричный выпуклостровогнутый профиль, изменяющийся в зависимости от угла атаки к вымпельному ветру и от галса, которым идет судно или буер. Например, в конструкции, примененной на катамаране "Пэшиент Леди-V" (США), П-К. состоит из 6 частей, устанавливаемых под определенными углами к вымпельному ветру. Передняя часть является вращающейся мачтой; 3 задние части можно устанавливать под разными углами, чтобы учесть повышение скорости ветра с увеличением высоты над поверхностью воды. Конструкция П-К. выполняется из фанеры, стеклопластика, пенопласта и синтетической ткани, натянутой на легкий каркас. Масса П-К. "Пэшиент Леди-V" площадью 28 м. кв. равна всего 46 кг.
«ПАРУС-КРЫЛО» в Интернете:
Морские анекдоты
Один рыбак рассказывает другому:
- Мне вчера такой сон приснился! Будто сижу я в лодке, а рядом молодая, совершенно голая красавица...
- Ну, а дальше то что?
- А дальше я забросил удочку и поймал во-о-от такую рыбину!
Кандидат военно-морских наук В. ДЫГАЛО, профессор, контр-адмирал. Рисунки автора.
Российский четырехмачтовый барк "Крузенштерн" - единственный сохранившийся до наших дней представитель "летающей линии П". Построен в 1926 году в Германии и до сих пор служит учебным судном, помогая воспитывать новые поколения офицеров Российского флота.
Чемпион среди парусников - пятимачтовый гигант "Пройссен".
Самый быстрый парусник, чайный клипер "Катти Сарк".
Илл. 1. Эффект Магнуса.
Первое роторное судно "Букау".
Судно с ветродвижителем парус-крыло.
Грузовое судно "Дина-Шифф".
Танкер "Шин Эйтоку Мару".
Судно с воздушными вертикальными турбинами карусельного типа.
Ответить на вопрос, когда был изобретен парус, - так же невозможно, как невозможно назвать автора знаменитых палеолитических "венер" - примитивных женских изваяний, найденных археологами в разных местах Евразийского континента. Может быть, и то и другое - парус и "венеры" - появились в одно время, в древнекаменном веке? Об этом нам остается только гадать. Уверенно сказать можно лишь то, что 6000 лет назад парус уже существовал - египтяне использовали прямой парус, плавая по Нилу.
Развитие паруса шло параллельно с развитием человечества и достигло пика к середине XIX столетия, когда появились знаменитые "выжиматели ветра" - чайные клипера, а к началу XX века - не менее знаменитые корабли типа "Flyins Р" ("Летучие П") гамбургской компании "Лаэш". Ее пятимачтовый корабль "Пройссен" считался в начале XX века самым большим парусным судном в мире: регистровая вместимость - 5081 т, водоизмещение - 11 000 т. Рекордом осталась 6500-метровая площадь 45 парусов (30 из них на пяти мачтах были прямыми). Как ни велика была роль первых железных судов, приводимых в движение паровой машиной, именно XIX век с полным правом может быть назван порой расцвета деревянных парусных грузовых кораблей. Конструкторы продолжали работать над улучшением качества парусных судов, стремясь увеличить их скорость, которая стала одним из основных факторов в возрастающей конкуренции торговых компаний. В состязании корабелов лидировали две страны - США и Англия.
Американцам первым удалось построить очень легкие, стройные и быстроходные суда - клипера. Но англичане не отставали, и очень скоро начались настоящие соревнования английских и американских парусников.
Среднее водоизмещение судов составляло 1000-2000 т, но некоторые из них имели водоизмещение до 3500-4000 т. Длина их в шесть раз превышала ширину. Тогда и появился известный принцип судостроения - "длина бежит". Создавая этот тип кораблей, судостроители сотворили настоящее чудо. Корпус клиперов был композитным: киль и шпангоуты - железные, обшивка - деревянная, покрываемая в подводной части медными листами для предотвращения обрастания водорослями. Благодаря этому легкость конструкции судна обеспечивалась не в ущерб его прочности.
Для снижения численности экипажа до 23-28 человек и облегчения их работы в море на этих парусниках были использованы достижения техники середины XIX века: винтовые рулевые приводы, ручные лебедки с зубчатой передачей, помпы с маховым колесом и другие механизмы. На "пенителях моря" все было подчинено достижению наибольшей скорости. Длинные и стройные, с гладким, как тело угря, корпусом клипера имели изящно изогнутые острые форштевни, которые разрезали волны, как нож. Мачты-"небоскребы" и сверхдлинные бушприты несли такое изобилие парусов, превзойти которое было уже невозможно. Наиболее быстроходными считались знаменитые чайные клипера: их скорость достигала 20 узлов (37 км/ч). Десять с лишним метров в секунду - так быстро летел (именно летел!) с волны на волну тысячетонный остроносый корабль. Торговые компании каждый год выдавали особую премию тому судну, которое первым привезет из Китая чай нового урожая, - отсюда и название. По сравнению с типами парусного вооружения прошлых столетий вместо обычных до сих пор трех или, в исключительных случаях, четырех ярусов прямых парусов полностью оснащенный клипер нес на каждой мачте до семи прямых парусов. Названия их (начиная снизу) у английских моряков звучали так: нижний парус (фок или грот), нижний марсель, верхний марсель, брамсель, верхний брамсель, "королевский" парус, "небесный" парус, "лунный" парус (или "небо-скреб"). Кроме перечисленных по бокам основных парусов при попутных ветрах на тонких круглых "деревьях", лисель- спиртах, выдвигающихся вдоль рей, ставили добавочные паруса-лисели, а между мачт - стаксели. Общая площадь всех парусов составляла 3300 м 2 и более. Когда при благоприятном ветре клипер шел под всеми парусами, со стороны казалось, что над поверхностью океана летит белое облако. За изящество, обтекаемые формы, изобилие парусов и скорость клипера получили еще одно название - "винджаммеры" ("выжиматели ветров").
Чайные гонки превратились в настоящее соперничество в скорости. Например, в 1866 году из Фучжоу (Китай) почти одновременно вышли пять клиперов с грузом чая. Это состязание в скорости было одним из самых волнующих морских плаваний через полсвета. Каждый из пяти честолюбивых капитанов мечтал прийти в Лондон первым. В гонках на карту ставилось все. Один из парусников, "Ариель", во время жестокого шторма в Атлантическом океане много часов подряд шел с большим креном. Крутые волны перекатывались через палубу клипера. Но вместо того, чтобы убрать хотя бы один парус, экипаж наглухо задраил люки и все прочие отверстия парусиной. Чтобы не быть смытыми за борт, моряки привязывались у своих рабочих мест специальными тросами. Почти полсуток продолжалась борьба со стихией. Корабль вышел из нее победителем. 6 сентября, затратив неполных 99 суток, "Ариэль" прибыл в Англию... После открытия Суэцкого канала в 1869 году рейсы парусных судов на "чайной" линии стали невыгодными. "Ариэль" занимался случайными работами, возил уголь из Англии в Японию и Австралию.
И все же на короткое время клипера опять вошли в моду. Австралия стала вырабатывать много шерсти, в которой нуждались Европа и Америка. Паровых судов, способных без дополнительной загрузки углем ходить на такие большие расстояния, не хватало, пришлось прибегнуть к услугам парусных. В октябре 1885 года из австралийского порта Сидней отправились в Англию шесть клиперов, и среди них "Катти Сарк", которую за прекрасные обводы, громадную парусность и мореходные качества называли "царицей морей". На шестьдесят седьмой день плавания "Катти Сарк" раньше всех появилась в Лондоне. Это был небывалый для парусных судов рекорд. И не только парусных, но и паровых. На обратном пути клипер нагнал быстрейший в то время пассажирский пароход "Британия". Рассказывают, что вахтенный помощник, разбудив капитана, сказал:
Сэр! Выйдите на мостик, происходит что-то необыкновенное - нас обгоняет парусник!
Капитaн улыбнулся и не тронулся с места.
Чего же идти. Ведь это "Катти Сарк", и тягаться с ней бесполезно!
Век клиперов завершился в 1924 году, когда пошел на слом один из последних красавцев - "Хасперус". И лишь "Катти Сарк" проплавала до 1949 года.
Однако с концом военного и транспортного парусного флота парусу не пришел конец. Как движитель спортивных судов и шлюпок парус играет и долго будет еще играть громадную роль в деле воспитания моряков.
Стремительному техническому прогрессу сопутствовало появление серьезных экологических проблем, наносящих порой непоправимый вред природе. Катастрофы с нефтяными танкерами и грандиозные пожары на морских промыслах подтверждают это. Помочь мировому морскому флоту стать экологически чистым должны новые идеи и решения. И новизну может нести в себе парус.
К счастью для человечества, всегда находятся люди, способные увидеть то, чего не замечают другие, и обладающие неиссякаемой пытливостью - этим неотъемлемым качеством всех изобретателей.
Таким человеком был немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961). Однажды, наблюдая во время плавания на паруснике за усилиями матросов, работавших в шторм с парусами на высоте 40-50 м, он подумал: а нельзя ли чем-нибудь заменить классический парус, используя при этом все ту же силу ветра? Размышления заставили Флеттнера вспомнить о его соотечественнике физике Генрихе Густаве Магнусе (1802-1870), который в 1852 году доказал, что возникающая поперечная сила, действующая на тело, вращающееся в обтекающем его потоке жидкости или газа, направлена в сторону, где скорость потока и вращение тела совпадают.
Наличие такого эффекта Магнус подтвердил позже на опыте с весами. На одну из их чаш клали горизонтально цилиндр с подключенным к нему моторчиком, а на другую -уравновешивавшие гири. Цилиндр обдували воздухом, но, пока не включали моторчик, он оставался неподвижным и равновесие весов не нарушалось. Однако стоило лишь запустить моторчик и тем самым заставить цилиндр вращаться, как чаша, где он находился, или поднималась, или опускалась - в зависимости от того, в каком направлении шло вращение. Этим опытом ученый установил: если на вращаемый цилиндр набегает поток воздуха, то скорости потока и вращения по одну сторону цилиндра складываются, по другую же - вычитаются. А поскольку большим скоростям соответствуют меньшие давления, на вращаемом цилиндре, помещенном в поток воздуха, возникает движущая сила, перпендикулярная потоку. Ее можно увеличивать или уменьшать, если крутить цилиндр быстрее или медленнее. Именно опыты Магнуса и навели Флеттнера на мысль заменить парус на судне вращающимся цилиндром. Но сразу же возникли сомнения. Ведь на большом судне такие роторы будут выглядеть огромными башнями высотой 20-25 м, которые в шторм создадут колоссальную опасность для судна. На эти вопросы требовалось ответить, и Флеттнер начал свои исследования.
В последних числах июня 1923 года он производил на озере Ванзее, вблизи Берлина, первые опыты с моделью. Это была шлюпка длиной менее метра с бумажным цилиндром диаметром около 15 см и высотой около 1 м. Для его вращения использовался часовой механизм. Опыты прошли успешно, однако осталось немало вопросов, и в том числе о силах, возникающих на роторе во время вращения.
Все дальнейшие исследования и связанные с ними измерения проводились в лаборатории. Их результаты сводились к следующему.
Если на поверхность вращающегося ротора воздействует ветер, скорость последнего изменяется. Там, где поверхность движется навстречу ветру, его скорость уменьшается, а давление увеличивается. С противоположной же стороны ротора скорость воздушного потока, наоборот, увеличивается, а давление падает. Полученная разность давлений и создает движущую силу, которую можно использовать для перемещения судна.
Но самым удивительным в исследованиях Флеттнера было другое. Оказалось, что возникающая движущая сила была во много раз больше, чем давление ветра на неподвижный ротор. Расчеты показали: используемая энергия ветра примерно в 50 раз превышала ту, что затрачивалась на вращение ротора, и зависела от частоты его вращения и скорости ветра. Выяснилось также и еще одно важное обстоятельство - возможность плавания роторного судна против ветра переменными курсами (галсами), близкими к линии ветра. Другими словами, для такого судна оставались действительными те естественные законы плавания, которыми пользовались обычные парусники. Но при этом его перспективы оценивались просто блестяще, поскольку площадь ротора по отношению к площади парусов обычного парусника, сравнимого по водоизмещению с роторным судном, составляла лишь 0,1-0,15 процента, а его (ротора) масса была примерно в 5 раз меньше, чем суммарная масса парусного вооружения.
Естественно, что одна часть усилий, полученных за счет вращения цилиндра, затрачивается на создание дрейфа (смещения идущего корабля с линии курса), а другая - на движение судна вперед.
Продувка в аэродинамической трубе показала: эту движущую силу можно увеличить почти в 2 раза, если накрыть сверху цилиндр диском (в виде плоской тарелки), диаметр которого больше, чем диаметр самого цилиндра. Кроме того, важно было найти нужные соотношения между скоростью ветра и угловой скоростью вращения ротора. От этого зависит величина силы, вызываемой вращением; потому-то сначала роторы испытывались в аэродинамической трубе и потом уже на модели судна. Эксперимент позволил установить их оптимальные размеры для опытного судна, а за необычным движителем с тех пор закрепилось название "ротор Флеттнера".
В качестве первого опытного судна для его испытания использовали видавшую виды трехмачтовую шхуну "Букау" водоизмещением 980 т. В 1924 году на ней вместо трех мачт поставили два ротора-цилиндра высотой 13,1 м и диаметром 1,5 м. Их приводили в движение два электромотора постоянного тока напряжением 220 В. Электроэнергию вырабатывал небольшой дизель-генератор мощностью 33 кВт (45 л.с.).
Испытания начались на Балтике и закончились удачно. В феврале 1925 года судно покинуло "вольный город Данциг", направляясь в Англию. В Северном море "Букау" пришлось бороться с сильным волнением, но шхуна за счет правильной перебалластировки раскачивалась меньше, чем обычные корабли. Опасения, что тяжелые роторы отрицательно подействуют на остойчивость судна или сами пострадают во время качки, не оправдались, давление ветра на их поверхности не достигло больших величин. В то же время погода была настолько скверной, что многие суда такого же водоизмещения, как и "Букау", искали убежища в близлежащих портах. "Ни один парусник не мог бы совершить плавания, которое проделала роторная шхуна", - писали английские газеты.
Обратный переход в Куксхафен тоже сопровождался штормами. На этот раз "Букау" нагрузили углем по ватерлинию, и она еще раз показала свои преимущества перед другими парусниками. Волны перекатыва лись через палубу и разбили спасательную шлюпку, но сами роторы никаких повреждений не получили. Впоследствии шхуну переименовали в "Баден-Баден" и она совершила еще одно трудное плавание: перенеся жестокий шторм в Бискайском заливе, пересекла Атлантический океан и благополучно прибыла в Нью-Йорк.
Роторный движитель получил высокую оценку. Он оказался проще в обслуживании, чем обычные паруса, быстро входил в рабочий режим, и поэтому испытания решили продолжить. В 1924 году на верфи акционерного общества "Везер" (Германия) было заложено первое судно, спроектированное специально для плавания с роторным движителем. Его назвали "Барбара" и предназначили для перевозки фруктов из портов Южной Америки в Германию. При длине 85, ширине 15,2 и осадке 5,4 м судно имело грузовместимость около 3000 т. По первоначальному проекту на нем предполагалось поставить один гигантский ротор высотой 90 м и диаметром 13,1 м, но затем, учитывая опыт шхуны "Букау", ротор-колосс заменили тремя, меньшего размера - высотой 17 м и диаметром 4 м. Их изготовили из алюминиевых сплавов со стенками толщиной несколько больше миллиметра. Для каждого ротора предназначался один мотор мощностью 26 кВт (35 л.с.), развивающий 150 об/мин. При ветре 5 баллов (8-11 м/с) благоприятного направления (курсовой угол 105-110 градусов) тяга роторных движителей была эквивалентна работе двигателя мощностью 780 кВт (1060 л.с.). Кроме того, одновальная дизельная установка мощностью 750 кВт (1020 л.с.) с приводом на гребной винт дополняла тягу ротора, что позволяло судну идти со скоростью 10 узлов (18,5 км/ч).
Являясь, по существу, парусниками, роторные суда обладали перед ними колоссальными преимуществами. Отпадала необходимость вызывать команду на палубу для уборки и постановки парусов; всего один офицер (на мостике) управлялся с движением роторов при помощи нескольких рукояток. В бейдевинд (против ветра) эти суда шли до 30 градусов, тогда как у большинства обычных парусников угол между направлением ветра и направлением движения составляет не менее 40-50 градусов. Скорость хода регулировалась скоростью вращения роторов, а маневрирование - изменением направления их вращения. Роторные суда могли даже давать задний ход.
Однако сложность конструкции роторных движителей, а главное - то обстоятельство, что оснащенные ими суда продолжали оставаться парусниками со всеми недостатками, первый из которых - полная зависимость от ветра, не привели к их широкому распространению.
Тем не менее конструкторы вновь и вновь возвращались к идее использования энергии ветра. В середине 60-х годов ХХ века во многих морских странах были созданы специальные конструкторские бюро, которые занимались проблемой ветродвижения, то есть движения судна с помощью ветродвигателей и ветродвижителей. В первом случае преобразование энергии ветра в тягу происходит по цепочке: ветродвигатель - передача (механическая или электрическая) - гребной винт. По конструкции различают ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (1-, 2-, 3- или многолопастная турбина) и с вертикальной, например турбина барабанного типа; по скорости вращения - быстроходные, имеющие высокую скорость вращения (хорошо сочетаются с электрогенераторами по частоте вращения), и тихоходные, создающие большой вращающий момент непосредственно на гребной винт. При использовании ветродвигателя судно не ограничено в выборе курса относительно направления ветра, однако он, ветродвигатель, имеет малый кпд по причине многократного преобразования энергии. Ветродвигатель эффективен при скоростях ветра от 3-4 до 12-14 м/с, причем судно лучше двигается при встречных ветрах, нежели при попутных; при скорости ветра 15-20 м/с он должен быть остановлен, поскольку возникает угроза его разрушения.
Опытные ветродвигатели различных конструкций были успешно испытаны на яхтах. Однако на больших транспортных судах они не используются даже в качестве приводов электрогенераторов, хотя эксперименты в этом направлении продолжаются.
Во втором же случае сила тяги, влекущая судно, возникает непосредственно на ветродвижителе, но плавание прямо против ветра и в некотором диапазоне курсовых углов вблизи этого направления невозможно; скорости таких судов зависят от скорости ветра и сравнительно невелики - 7-10 узлов (13-18,5 км/ч). К основным типам ветродвижителей относятся уже известный нам роторный Флеттнера, парус-крыло и классический парус, который до сих пор продолжают совершенствовать, причем по линии создания новейших материалов. Появились немнущийся лавсан и термоустойчивый нитрон, материалы из пластмасс и синтетических волокон, отличающиеся повышенной прочностью и легкостью. Именно они используются для современных судов с парусным движителем.
Первые полномасштабные исследования ветродвижителей были проведены в 1960-1967 годах в гамбургском Институте кораблестроения, где разрабатывался проект грузового судна дейдветом 17 000 т. Результаты последующей упорной работы, включая продувку более 50 моделей в аэродинамической трубе и испытания в опытном бассейне, позволили построить в 1982 году судно "Дина-Шифф", которое долгое время не имело аналогов в мире. Оно представляет собой парусник, принимающий 16 500 т груза и отличающийся внушительными габаритами: длина - 160,5 м, ширина - 21 м. Высота борта - 13 м, осадка - 9,1 м. Каждая из шести поворотных мачт несет пять прямых парусов, которые растягивались на профилированных реях без промежутков и в целом составляли один эффективный (высокий и узкий) гигантский парус площадью 1200 м 2 (общая площадь всех парусов достигла 7200 м 2). Управляет электромотора ми, поднимающими или убирающими любой из 30 парусов, вахтенный офицер из рубки, где установлен компьютер. Кроме парусов на "Дине-Шифф" установили три дизеля по 330 кВт (448 л.с.). Судно развивало среднюю скорость 12 узлов, а при благоприятном ветре - до 16.
Дальнейшее совершенствование проекта "Дина-Шифф" продолжило научно-исследовательское общество Фридриха Вейса из германского города Аренсбурга. Оно создало эффектный парусный сухогруз с автоматической уборкой парусов, каждый из которых наматывался на вал, расположенный в профилированной рее. Длина сухогруза составляет 65 м; он может взять на борт 1000 т груза. Каждая из трех поворотных мачт несет по пять прямых парусов; дополнительно, на случай штилевой погоды, на судне установили вспомогательный дизель мощностью 350 кВт (476 л.с.). Используя только парусный движитель, такие суда могут развивать скорость 12-14 узлов, а при сильном попутном ветре - до 20 (37 км/ч). Это соответствует скорости современного контейнеровоза.
"Дина-Шифф" и сухогруз из Аренсбурга не одиноки на нынешних морских дорогах - начиная с июня 1990 года им составил компанию флагман организации "Гринпис" "Рейнбоу-Урриор", переоборудованный в Гамбурге на манер "Дины-Шифф". При силе ветра в 5 баллов судно развивает скорость более 12 узлов (22 км/ч).
Учитывая хорошие ходовые качества названных судов, сейчас проектируются сухогрузы-парусники грузоподъемностью от 900 до 2000 т. Правда, немецкие ученые считают, что для Европы они вряд ли будут рентабельными из-за непостоянства дующих близ ее берегов ветров, и предлагают оснащать обычные сухогрузы и контейнеровозы дополнительным парусным вооружением, что приведет к экономии 10-25 процентов топлива.
Особенно серьезно к разработке ветродвижителей и ветродвигателей относятся в тех странах, где природные запасы нефти ограничены или вообще отсутствуют. Так, в Японии только за период 1980-1986 годов вошли в строй 10 судов, имеющих кроме механического и ветровой движитель. Типичный их представитель - прибрежный танкер "Шин Эйтоку Мару" водоизмещением 1600 т, спущенный на воду в июле 1980 года компанией "Имамура Шипбилдинг". Основные его размеры: длина - 66, ширина - 10,6, осадка - 4,4 м. Оснащен двумя парусами площадью по 97 м 2 каждый и двигателем мощностью 1177 кВт (1600 л.с.). Средняя скорость танкера - 12 узлов (22 км/ч). Время, которое он проходит под парусами за год, составляет 15 процентов от общего.
Высшим достижением в строительстве судов по схеме "механический двигатель плюс ветровой движитель" стало японское судно "Усики Пионер". При водоизмещении 26 тыс. т оно имеет длину 162,4, ширину 25,2 и осадку 10,6 м, два главных двигателя мощностью по 2427 кВт (3300 л.с.) и два паруса по 320 м 2 каждый. При комбинированном использовании парусов и одного из двигателей судно может идти со средней скоростью 13,5 узла (25 км/ч). Управление ветровым движителем осуществляется по командам ЭВМ.
Японские инженеры также разработали проект парусника, способного перевозить 17 тыс. т груза и 250 пассажиров. Все работы, связанные с постановкой и уборкой парусов, будут полностью механизированы. Это позволит одному человеку с помощью ЭВМ за 20 секунд справиться с 1500 м 2 парусов, размещенных на шести мачтах. Максимальная скорость судна - около 20 узлов (37 км/ч). Оно способно "ловить" малейший ветерок. На случай полного безветрия предусмотрена установка двигателей.
Многоцелевые и довольно дорогие испытания вариантов парусного вооружения были проведены в 1985 году польскими учеными и конструкторами. На 50-метровом опытном судне "Океания" водоизмещением 550 т установили три мачты из прочного и легкого сплава с прямыми парусами общей площадью 700 м 2 . Их ставили и убирали с помощью гидравлических приводов и с использованием специальных снастей из сверхпрочного синтетического материала - кевлара. При усилении ветра площадь парусов уменьшалась, а при ветре более 25 м/с они складывались в виде коробов вокруг мачты.
Этот опыт позволил корабелам Гданьской верфи построить в 1986 году круизное судно "Гварек", парусное вооружение которого было почти аналогично установленному на "Океании". "Гварек" стал собственностью "Бюро путешествий" как плавучий дом отдыха, пассажиры которого размещаются в 100 двухместных комфортабельных каютах. Все управление судном ведется с мостика при помощи компьютера и гидросистем.
Новые паруса потребовали и более современного крепления и уборки. Разработано несколько конструкций мачт, и в каждой есть свои "изюминки". Так, одни мачты установлены на поворачивающихся платформах, а паруса выдвигаются из рей и втягиваются внутрь их, словно полотно киноэкрана. А польский изобретатель А. Боровский из Щецина еще в 1977 году получил патент на мачту, которая состоит из множества металлических трубок, связанных в одно целое тонкой внешней оболочкой из сверхпрочного синтетического материала. Такая конструкция легче обычной и не уступает ей в прочности.
Паруса новых видов разработаны и для спортивных судов. В частности, уже нашел применение новый движитель - парус-крыло. Он выполнен в виде жесткого паруса, аналогичного по конструкции крылу планера или самолета, но имеющего симметричный профиль поперечного сечения. Его ставят на буерах и парусных катамаранах, развивающих высокие скорости, при которых он работает на малых углах атаки. Еще эффективнее парус-крыло, имеющий выпукло-вогнутый профиль, изменяющийся в зависимости от угла атаки и от галса, которым идет судно или буер. Например, в конструкции, примененной на катамаране "Пэшиент-Леди У" (США), парус-крыло состоит из шести частей, устанавливаемых автоматически с помощью компьютера под определенными углами к ветру. Он изготовлен из фанеры, стеклопластика, пенопласта и синтетической ткани, его масса при площади 28 м 2 составляет лишь 46 кг.
Конструкторов, занимающихся ветровыми движителями и двигателями, больше всего привлекают те проекты, которые позволяют увеличить скорость судов до 20 узлов, то есть достичь скорости чайных клиперов. Делаются попытки возродить парусный флот на современной основе, используя принцип движения на воздушной подушке и на подводных крыльях.
Есть положительные сдвиги и в разработке новых типов ветродвигателей. Так, немецкие инженеры предложили двигатель "карусельного типа", в котором на двух вертикальных осях расположены шесть плоскостей из полиэстра, повернутых друг к другу под углом 60 градусов. Ветер, воздействуя на такие воздушные турбины, заставляет их вращаться - тем самым его кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала судового винта.
Сегодня существует достаточно много различных проектов ветродвижителей и ветродвигателей, как реализованных, так и находящихся на стадии разработок. Есть из чего выбирать, однако специалисты пришли к выводу, что наиболее целесообразным вариантом является установка на морских и речных судах ветродвижителя как дополнения к основному механическому двигателю. Это даст 25-30 процентов экономии топлива и обеспечит судам вполне приемлемую скорость в 16 узлов, а кроме того, позволит вместо мощной энергетической установки применять сравнительно небольшую. И еще одно обязательное условие: использование всех новых видов парусных движителей требует широкого внедрения компьютеров. Только быстродействующая вычислительная техника может учесть все параметры, влияющие на движение корабля, и этим повысить безопасность его плавания.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Как видно из рисунка, на вращающийся цилиндр начинает действовать поперечная направлению воздушного потока сила. Таким образом, очевидно, что самый выгодный курс для роторного судна - когда ветер дует строго в борт. А направление движения зависит лишь от того, по или против часовой стрелки вращается ротор.
Илл. 2. Бейдевинд называют полным, если этот угол больше 66 о, и крутым - если меньше. Движение вперед обеспечивает та составляющая ветрового давления (а), которая совпадает с курсом парусника, тогда как действие боковой составляющей (б) нейтрализуется корабельным килем.
