Зачем на корабли начали ставить какие-то странные трубы вместо парусов

С чего всё началось

Эффект Магнуса./ Фото: dzen.ru

В 1852 году немецкий физик Генрих Магнус открыл явление, которое позднее получило его имя — эффект Магнуса. Он заметил, что вращающийся цилиндр в потоке воздуха отклоняется от первоначальной траектории. Это связано с разницей в давлении по обе стороны цилиндра: с одной стороны воздух движется быстрее, создавая область пониженного давления, а с другой — медленнее, что приводит к повышенному давлению. В результате возникает сила, направленная перпендикулярно потоку воздуха, которая может воздействовать на объект. Этот феномен объясняет, например, почему кручёный мяч в спорте меняет траекторию полёта. Магнус предположил, что для этой силы можно придумать и более масштабное приложение, например, использовать её при создании морских кораблей. Идея заключалась в том, чтобы заставить вращающиеся цилиндры «ловить» ветер и использовать возникающую силу для движения вместо обычных парусов или даже паровых машин.

Шхуна с роторными парусами./ Фото: wikipedia.org

Идею Магнуса продолжил инженер и учёный Антон Флеттнер. В 1920-х годах он нашёл практическое применение эффекта Магнуса и решил создать судно с роторными парусами. Через четыре года Флеттнер построил экспериментальную шхуну «Букау», оснастив её двумя массивными вертикальными цилиндрами высотой и диаметром 13 и 1,5 метра соответственно. Эти цилиндры приводились в движение электромоторами (сами по себе они раскручиваться не могли) и вращались с высокой скоростью, создавая силу, которая позволяла судну двигаться под воздействием ветра. В отличие от традиционных парусов, роторные цилиндры могли использовать ветер под острыми углами, в результате корабль мог идти даже против ветра под углом до 25 градусов. «Букау» отправилась в плавание и успешно пересекла Атлантический океан, доказав, что эффект Магнуса действительно может использоваться для морского судоходства. До тех пор эффект Магнуса оставался лишь интересной теорией; по этой причине практический пример произвёл настоящий фурор в морской индустрии, а самым большим оптимистам даже казалось, что за роторными парусами будет будущее.

Роторные паруса./ Фото: scientificamerican.com

Несмотря на успех эксперимента, технология роторных парусов не получила широкого распространения. Причина заключалась в высокой стоимости установки и обслуживания таких систем; также требовались сложные электромоторы и генераторы для них. Кроме того, в тот период началось активное развитие двигателей внутреннего сгорания, которые обладали солидной мощностью, надёжностью в эксплуатации и большими перспективами. Судовладельцы предпочли их весьма странным и нестандартным идеям, и роторные паруса были забыты почти на полвека. Тем не менее, идея использования эффекта Магнуса для движения судов не исчезла бесследно. О роторных парусах вспомнили гораздо позже, когда появилась потребность в экономии топлива и снижении выбросов.

Роторный парус (турбопарус) Жака-Ива Кусто

Турбопарус Кусто./ Фото: drive2.ru

В начале 1980-х годов известный океанограф Жак-Ив Кусто задался целью снизить потребление топлива на исследовательских судах и использовать экологически чистую энергию ветра. Он обратил внимание на эффект Магнуса и решил модернизировать идею роторного паруса, создав более эффективную конструкцию. Так появился турбопарус Кусто. В отличие от цилиндрических роторов Флеттнера, турбопарус Кусто имел каплеобразное сечение и представлял собой полую трубу с внутренними насосами, которые нагнетали воздух, создавая разницу давлений. Это увеличивало итоговую силу и повышало эффективность использования ветра. Кусто надеялся, что такая система позволит его судам двигаться быстрее, а также сэкономит до 30% топлива.

Внутри турбопаруса./ Фото: drive2.ru

Первое испытание турбопаруса состоялось в 1981 году на экспериментальном катамаране «Moulin a Vent». Судно отправилось в дальнее путешествие через Атлантику, но во время перехода катамарану пришлось пережить сильный шторм, скорость ветра во время которого превышала 50 узлов. Конструкция оказалась плохо приспособлённой для подобных нагрузок, сварные швы не выдержали, и турбопарус рухнул в океан, а саму экспедицию пришлось досрочно прекратить. Несмотря на эту неудачу, Кусто не отказался от своей идеи. Испытания доказали состоятельность теоретических выкладок и продемонстрировали не совсем верный технический подход, поэтому было решено продолжить работу над парусами и усовершенствовать всю конструкцию.

Алкиона./ Фото: proza.ru

Кусто и его команда провели серьёзную работу, и в 1985 году создали новое судно — «Алкиона», специально спроектированное для использования турбопарусов. На него установили два таких паруса, но не в качестве самостоятельного движителя. Они работали в тандеме с дизельными двигателями и должны были обеспечить дополнительную движущую силу. В итоге это позволило снизить потребление топлива на треть и увеличить дальность плавания, а «Алкиона» успешно участвовала в экспедициях Кусто. Правда, в конечном итоге парус сломался, его демонтировали и больше к нему не возвращались. Несмотря на это, опыт оказался очень полезным и нашёл дальнейшее применение.

Современные турбопаруса

Грузовой корабль E-Ship 1./ Фото: wikipedia.org

В XXI веке интерес к турбопарусам возродился благодаря стремлению снизить выбросы CO₂ и затраты на топливо, уж слишком велик его расход на современных кораблях. Новейшие технологии позволяют создавать более лёгкие, прочные и эффективные конструкции, которые интегрируются с обычными двигателями и дают значительную экономию топлива. Турбопаруса работают как вспомогательные силовые установки, а не заменяют двигатели. Они используют ветер для создания дополнительной тяги и снижают нагрузку на основную двигательную установку. Это особенно актуально для грузовых судов, выполняющих дальние рейсы.

Грузовой корабль E-Ship 1./ Фото: drivemag.com

Грузовое судно E-Ship 1, построенное немецкой компанией Enercon в 2008 году, стало первым коммерческим кораблём с роторными парусами; на него установили четыре цилиндра высотой 25 метров. Эти паруса не только создают дополнительную движущую силу, но и работают как генераторы электричества. За первые пять лет эксплуатации судно снизило расход топлива более чем на 15% и прошло свыше 170 тысяч морских миль. Для коммерческого судоходства это был ощутимый шаг вперёд.

Грузовой корабль Maersk Pelican./ Фото: dzen.ru

Другой пример — проект Orcelle Wind компании Wallenius Wilhelmsen. Этот ролкер использует несколько турбопарусов для движения за счёт ветра, что позволяет снизить выбросы CO₂ на 90% по сравнению с традиционными судами. Также компания Airbus планирует перевести свои транспортные суда на турбопаруса, установив на них шесть таких устройств, что уменьшит зависимость от ископаемого топлива. Технология турбопарусов продолжает развиваться и находит новые применения в судоходной отрасли.

Современные корабли становятся всё более странными и необычными. Одни получают корпус нестандартной формы, а другие вообще не имеют двигателя и могут переворачиваться кверху кормой.