Den berømte dokumentarserie Cousteau Teams Underwater Odyssey blev skudt af den store franske oceanograf i 1960'erne - 1970'erne. Cousteaus vigtigste skib blev derefter konverteret fra den britiske minesvejer "Calypso". Men i en af de efterfølgende film - "Genopdagelse af verden" - dukkede et andet skib ud, yachten "Alcyone".
Ser man på det, stillede mange seere sig selv spørgsmålet: hvad er disse mærkelige rør installeret på yachten?.. Måske er det rør fra kedler eller fremdrivningssystemer?
Forestil dig din forbløffelse, hvis du finder ud af, at dette er SAILS … turbosails …
Cousteau-fonden erhvervede yachten "Alkiona" i 1985, og dette skib blev ikke betragtet så meget som et forskningsskib, men som en base for at studere effektiviteten af turbosails - det originale skibsfremdrivningssystem. Og da 11 år senere, den legendariske "Calypso" faldt, indtog "Alcyona" hendes plads som ekspeditionens vigtigste fartøj (i øvrigt er "Calypso" i dag opdrættet og befinder sig i en semi-plyndret tilstand i havnen i Concarneau).
Faktisk blev turbossejlet opfundet af Cousteau. Samt dykkerudstyr, en undervandsskål og mange andre apparater til at udforske havets dybder og havoverfladen. Idéen blev født i begyndelsen af 1980'erne og var at skabe det mest miljøvenlige, men samtidig praktiske og moderne fremdrivningssystem til en vandfugl. Brug af vindkraft syntes at være det mest lovende forskningsområde. Men her er uflaksen: menneskeheden opfandt et sejl for flere tusinde år siden, og hvad kunne være enklere og mere logisk?
Selvfølgelig forstod Cousteau og hans firma, at det var umuligt at bygge et skib, der udelukkende blev drevet med sejl. Mere præcist måske, men dens køreegenskaber vil være meget middelmådige og afhængige af vagarierne i vejret og vindretningen. Derfor var det oprindeligt planlagt, at det nye "sejl" kun vil være en hjælpekraft, der kan anvendes til at hjælpe konventionelle dieselmotorer. På samme tid ville en turbosail reducere dieselbrændstofforbruget markant, og i en stærk vind kan det blive den eneste fremdrift af skibet. Og forskerteamets udseende vendte sig til fortiden - til opfindelsen af den tyske ingeniør Anton Flettner, den berømte flydesigner, der gav et betydeligt bidrag til skibsbygning.
Salgsfremmende video:
Turbo-sejlet er en hul cylinder udstyret med en speciel pumpe. Pumpen skaber et vakuum på den ene side af turbosailen, pumper luft ind i sejlet, udenfor luft begynder at strømme rundt om turbosailen i forskellige hastigheder, og skibet begynder at bevæge sig i retningen vinkelret på lufttrykket. Dette ligner meget elevatoren, der virker på en flyvinge - trykket fra bunden af vingen er større, og flyet skubber opad. Turboseglen tillader skibet at bevæge sig mod enhver vind, så længe der er nok pumpekraft. Det bruges som et hjælpesystem til en konventionel marinemotor. To turbosails installeret på skibet fra Cousteau-teamet "Alcyon" tilladt at spare op til 50% brændstof.
Flettners rotor og Magnus-effekten
Den 16. september 1922 modtog Anton Flettner et tysk patent på det såkaldte roterende fartøj. Og i oktober 1924 forlod et eksperimentelt roterende fartøj Buckau lagrene i skibsbygningsfirmaet Friedrich Krupp i Kiel. Det er sandt, at skonnerten ikke blev bygget fra bunden: Før installationen af Flettners rotorer var det et almindeligt sejlskib.
Flettners idé var at bruge den såkaldte Magnus-effekt, hvis essens er som følger: når en luft (eller væske) strøm flyder rundt om et roterende legeme, genereres der en kraft, der er vinkelret på strømningsretningen og virker på kroppen. Faktum er, at et roterende objekt skaber en virvelbevægelse omkring sig selv. På siden af objektet, hvor virvelens retning falder sammen med retningen for strømmen af væske eller gas, øges mediets hastighed, og på den modsatte side falder det. Forskellen i tryk og skaber en forskydningskraft rettet fra den side, hvor rotationsretningen og strømningsretningen er modsat den side, hvor de falder sammen.
"Flettner-vindskibet er på alles læber takket være ekstraordinær nidkær avispropaganda," skrev Louis Prandtl i sin artikel om udviklingen af en tysk ingeniør.
Denne virkning blev opdaget i 1852 af den Berlin-fysiker Heinrich Magnus.
Magnus effekt
Den tyske luftfartsingeniør og opfinder Anton Flettner (1885–1961) gik ned i navigationshistorien som en mand, der prøvede at udskifte sejl. Han havde en chance for at rejse i lang tid på et sejlskib over Atlanterhavet og de indiske hav. Der blev sat mange sejl på master af sejlskibe i den æra. Sejladsudstyret var dyre, komplekse og aerodynamisk ikke særlig effektive. Konstante farer lå i vente på sejlere, der selv under en storm måtte sejle i 40-50 meters højde.
Under rejsen havde den unge ingeniør ideen om at udskifte sejlene, som kræver mere kræfter, med en enklere, men effektiv anordning, hvis vigtigste fremdrift også ville være vinden. Efter at have fundet på dette huskede han aerodynamiske eksperimenter udført af sin landsmandfysiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). De fandt ud af, at når en cylinder roterer i en luftstrøm, opstår en tværgående kraft med en retning, der afhænger af cylinderens rotationsretning (Magnus-effekt).
En af hans klassiske eksperimenter så sådan ud:”En messingcylinder kunne rotere mellem to punkter; hurtig rotation af cylinderen blev overført, som i en top, af en ledning. Den roterende cylinder blev placeret i en ramme, som igen let kunne drejes. En stærk luftstråle blev sendt til dette system ved hjælp af en lille centrifugalpumpe. Cylinderen afvigede i retningen vinkelret på luftstrømmen og cylinderaksen, i øvrigt i den retning, hvorfra rotationsretningerne og strålen var den samme "(L. Prandtl" Magnus Effect and a Wind Ship ", 1925).
A. Flettner tænkte straks, at sejlene kunne erstattes af roterende cylindre, der var installeret på skibet.
Det viser sig, at når overfladen på cylinderen bevæger sig mod luftstrømmen, falder vindhastigheden, og trykket stiger. På den anden side af cylinderen er det modsatte sandt - luftstrømningshastigheden øges, og trykket falder. Denne forskel i tryk fra forskellige sider af cylinderen er den drivende kraft, der får fartøjet til at bevæge sig. Dette er det grundlæggende princip for rotationsudstyr, der bruger vindenes kraft til at bevæge fartøjet. Alt er meget enkelt, men kun A. Flettner "gik ikke forbi", selvom Magnus-effekten har været kendt i mere end et halvt århundrede.
Han begyndte at implementere planen i 1923 på en sø nær Berlin. Faktisk gjorde Flettner en ret enkel ting. Han installerede en papircylinderrotor omkring en meter i højden og 15 cm i diameter på en meter lang testbåd og tilpassede en urmekanisme til at rotere den. Og båden sejlede væk.
Kaptajnerne på sejlskibe spottede på A. Flettners cylindre, som han ønskede at udskifte sejlene med. Opfinderen formåede at interessere velhavende lånere af kunst med sin opfindelse. I 1924 blev der i stedet for tre master installeret to rotorcylindre på den 54 meter store skonnert "Buckau". Disse cylindre blev drevet af en 45 hk dieselgenerator.
Bucaus rotorer blev drevet af elektriske motorer. Der var faktisk ingen forskel fra de klassiske eksperimenter med Magnus i designet. På den side, hvor rotoren drejede mod vinden, blev der skabt et område med forøget tryk, på den modsatte side, et lavtryksområde. Den resulterende styrke er det, der drev skibet. Desuden var denne kraft omkring 50 gange større end vindenergikraften på en stationær rotor!
Dette åbnede for store udsigter for Flettner. Rotorområdet og dets masse var blandt andet flere gange mindre end sejleriggen, hvilket ville give en lige drivkraft. Rotoren var meget lettere at kontrollere, og det var ganske billigt at fremstille. Fra oven dækkede Flettner rotorerne med plader - dette øgede drivkraften med cirka to gange på grund af den korrekte orientering af luftstrømmene i forhold til rotoren. Den optimale højde og diameter af rotoren for "Bukau" blev beregnet ved at sprænge en model af det fremtidige fartøj i en vindtunnel.
Cousteau turbosailboat - For 2011 er Alkiona det eneste fartøj i verden med en Cousteau turbosail. Den store oceanografers død i 1997 sluttede konstruktionen af det andet sådanne skib, Calypso II, og andre skibsbygningsfolk frygter det usædvanlige design …
Flettners rotor viste sig at være fremragende. I modsætning til et almindeligt sejlskib var et roterende skib praktisk talt ikke bange for dårligt vejr og stærk sidevind, det kunne let sejle skiftevis stikker i en vinkel på 25 º mod modvinden (for et normalt sejl er grænsen ca. 45º). To cylindriske rotorer (højde 13,1 m, diameter 1,5 m) gjorde det muligt at balansere skibet perfekt - det viste sig at være mere stabilt end den sejlbåd, som Bukau var før omstruktureringen. Testene blev udført i ro og i en storm og med bevidst overbelastning - og ingen alvorlige mangler blev identificeret. Den mest fordelagtige for fartøjets bevægelse var vindretningen nøjagtigt vinkelret på fartøjets akse, og bevægelsesretningen (fremad eller bagud) blev bestemt af rotorernes rotationsretning.
I midten af februar 1925 forlod skonnerten "Buckau", udstyret med Flettners rotorer i stedet for sejl, Danzig (nu Gdansk) til Skotland. Vejret var dårligt, og de fleste af sejlbådene turde ikke at forlade havne. I Nordsøen var Buckau nødt til at beskæftige sig alvorligt med stærk vind og store bølger, men skonnerten hælede ombord mindre end andre sejlbåde stødte på.
Under denne rejse var det ikke nødvendigt at kalde besætningsmedlemmerne til dækket for at skifte sejl afhængigt af vindens styrke eller retning. En navigator på uret var nok, som uden at forlade styrhuset kunne kontrollere rotorernes aktivitet. Tidligere bestod besætningen på en tre-mastet skonnert af mindst 20 sejlere, efter at det var omdannet til et roterende skib, var 10 personer nok.
Samme år lagde værftet grundlaget for det andet roterende skib - den mægtige fragtforing "Barbara", fremdrevet af tre 17-meters rotorer. På samme tid var en lille motor med en kapacitet på kun 35 hk nok til hver rotor. (ved den maksimale rotationshastighed for hver rotor 160 o / min)! Rotorkraften svarede til den af en propeldrevet propel koblet med en konventionel skibsdieselmotor med en kapacitet på ca. 1000 hk. Dog havde skibet også en dieselmotor: ud over rotorerne satte det i gang en propell (som forblev den eneste fremdrivningsanordning i tilfælde af roligt vejr).
Lovende eksperimenter fik rederiet Rob. M. Sloman fra Hamborg til at bygge skibet Barbara i 1926. Det var planlagt på forhånd at udstyre turbosails - Flettners rotorer. På et fartøj, 90 m langt og 13 m bredt, var der monteret tre rotorer med en højde på ca. 17 m.
Barbara har med succes transporteret frugt fra Italien til Hamborg i nogen tid som planlagt. Cirka 30-40% af sejletiden sejler skibet på grund af vindstyrken. Med en vind på 4-6 point udviklede "Barbara" en hastighed på 13 knob.
Det var planlagt at teste det roterende fartøj på længere sejladser i Atlanterhavet.
Men i slutningen af 1920'erne ramte den store depression. I 1929 nægtede chartselskabet at lease Barbara yderligere og blev solgt. Den nye ejer fjernede rotorerne og konverterede skibet i henhold til den traditionelle ordning. Rotoren var stadig underordnet skruepropellerne i kombination med et konventionelt dieselkraftværk på grund af dets afhængighed af vinden og visse begrænsninger i kraft og hastighed. Flettner henvendte sig til mere lovende efterforskning, og Baden-Baden faldt til sidst under en storm i Caribien i 1931.
Og de glemte rotationssejl i lang tid …
Begyndelsen på roterende fartøjer, synes det, var ganske vellykket, men de modtog ikke udvikling og blev glemt i lang tid. Hvorfor? Først styrtede "far" til roterende fartøjer A. Flettner ind i oprettelsen af helikoptere og ophørte med at være interesseret i søtransport. For det andet har roterende fartøjer trods alle deres fordele forblev sejlskibe med deres iboende ulemper, hvis vigtigste er afhængighed af vinden.
Flettners rotorer var igen interesserede i 80'erne i det tyvende århundrede, da forskere begyndte at foreslå forskellige foranstaltninger til at mindske klimauppvarmning, reducere forurening og mere rationel brug af brændstof. En af de første til at huske dem var den franske opdagelsesrejsende Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). For at teste driften af turbosail-systemet og reducere brændstofforbruget blev den to-mastede katamaran "Alcyone" (Alcyone er datter af vindens gud Aeolus) omdannet til et roterende fartøj. Efter at have rejst ud på en sejlads i 1985 besøgte han Canada og Amerika, omkransede Cape Horn, omgås Australien og Indonesien, Madagaskar og Sydafrika. Han blev overført til Det Kaspiske Hav, hvor han sejlede i tre måneder og foretog forskellige undersøgelser. Alcyone bruger stadig to forskellige fremdrivningssystemer - to dieselmotorer og to turbosæler.
Turbo-sejl Cousteau
Sejlbåde blev bygget gennem det 20. århundrede. I moderne skibe af denne type foldes sejlsrustning ved hjælp af elektriske motorer; nye materialer gør det muligt at lette strukturen markant. Men en sejlbåd er en sejlbåd, og tanken om at bruge vindenergi på en radikalt ny måde har været i luften siden Flettners dage. Og hun blev hentet af den utrættelige eventyrer og opdagelsesrejsende Jacques-Yves Cousteau.
Den 23. december 1986, efter at Alcyone, der blev nævnt i begyndelsen af artiklen blev lanceret, modtog Cousteau og hans kolleger Lucien Malavar og Bertrand Charier fælles patent nr. US4630997 for "en anordning, der skaber kraft gennem brug af flydende væske eller gas." Den generelle beskrivelse er som følger:”Enheden er placeret i et miljø, der bevæger sig i en bestemt retning; dette skaber en kraft, der virker i en retning vinkelret på den første. Enheden undgår brug af massive sejl, hvor drivkraften er proportional med sejlområdet. " Hvad er forskellen mellem Cousteaus turbosail og Flettners rotationssejl?
I tværsnit er en turbosail noget som en langstrakt dråbe afrundet fra den skarpe ende. På siderne af "dråbet" er der luftindtagningsgitter, gennem hvilke den ene (afhængigt af behovet for at bevæge sig fremad eller bagud) suges ud. For den mest effektive vindsugning i luftindtaget installeres en lille ventilator drevet af en elektrisk motor på turboseglen.
Det øger kunstigt hastigheden for luftbevægelse fra sejlets bagside og suger ind luftstrømmen i det øjeblik, hvor den adskilles fra planet til turbo-sejlet. Dette skaber et vakuum på den ene side af turbosælen, mens man forhindrer dannelse af turbulente virvler. Og så virker Magnus-effekten: rarefaction på den ene side, som et resultat - en tværgående kraft, der er i stand til at sætte skibet i bevægelse. Faktisk er en turbosail en lodret placeret flyvinge, i det mindste er princippet om at skabe en fremdrivende kraft svarende til princippet om at skabe en lift. For at sikre, at turboseglen altid drejes mod vinden i den mest fordelagtige retning, er den udstyret med specielle sensorer og installeret på en drejeskive. For øvrig indebærer Cousteau-patentet, at luft ikke kun kan suges ud fra indersiden af turbossejlen af en ventilator, men også for eksempelluftpumpe - således lukkede Cousteau porten for efterfølgende "opfindere".
Faktisk testede Cousteau for første gang en prototype af en turbosail på katamaranen Moulin à Vent i 1981. Den største succesrige sejlads af katamaranen var en tur fra Tanger (Marokko) til New York under opsyn af et større ekspeditionsskib.
Og i april 1985, i havnen i La Rochelle, blev Alcyone, det første fulde skib udstyret med turbosails, lanceret. Nu er hun stadig på farten og i dag er Cousteau-flotillaens flagskib (og faktisk det eneste store skib). Turbo-sejlene på den er ikke den eneste klipper, men de hjælper med den sædvanlige kobling af to dieselmotorer og flere propeller (som for øvrig gør det muligt at reducere brændstofforbruget med cirka en tredjedel). Hvis den store oceanograf var i live, ville han sandsynligvis have bygget flere flere lignende skibe, men entusiasmen fra hans medarbejdere efter Cousteau's afgang mindskedes mærkbart.
Kort før hans død i 1997 arbejdede Cousteau aktivt på projektet med skibet "Calypso II" med en turbosail, men lykkedes ikke at afslutte det. Ifølge de seneste data, om vinteren 2011, var "Alkiona" i havnen i Caen og ventede på en ny ekspedition.
Flettner igen
I dag gøres der forsøg på at genoplive Flettners idé og gøre roterende sejl til mainstream. For eksempel begyndte det berømte Hamburg-firma Blohm + Voss efter oliekrisen i 1973 aktiv udvikling af en roterende tankskib, men i 1986 dækkede økonomiske faktorer dette projekt. Så var der en række amatørdesign.
I 2007 byggede studerende ved University of Flensburg en katamaran drevet af et rotationssejl (Uni-cat Flensburg).
I 2010 dukkede det tredje skib nogensinde med roterende sejl op - den tunge lastbil E-Ship 1, der blev bygget til Enercon, en af verdens største vindmølleproducenter. Den 6. juli 2010 blev skibet først lanceret og foretog en kort sejlads fra Emden til Bremerhaven. Og i august gik han på sin første arbejdsrejse til Irland med en belastning på ni vindmøller. Skibet er udstyret med fire Flettner-rotorer og naturligvis et traditionelt fremdrivningssystem i tilfælde af ro og for yderligere kraft. Alligevel fungerer rotationssejl kun som hjælpepropeller: til en 130 meter lang lastbil er deres magt ikke nok til at udvikle den rette hastighed. Motorerne er ni Mitsubishi-kraftværker, og rotorerne drejes af en Siemens-dampturbine,bruger energien fra udstødningsgaserne. Rotationssejl sparer 30 til 40% brændstof med en hastighed på 16 knob.
Men Cousteaus turbossejle er stadig i nogen glemsel: Alcyone er i øjeblikket det eneste skib i fuld størrelse med denne type fremdrift. Erfaringen fra tyske skibsbyggerier vil vise, om det giver mening at videreudvikle temaet for sejl, der opererer på Magnus-effekten. Det vigtigste er at finde en økonomisk begrundelse for dette og bevise dets effektivitet. Og der, forstår du, vil al verdensforsendelse flytte til det princip, som en talentfuld tysk forsker beskrev for mere end 150 år siden.
I Nordsøen i 2010 kunne du se det mærkelige skib "E-Ship 1". På det øverste dæk er der fire høje afrundede skorstene, men røg hvirvler aldrig ud af dem. Dette er de såkaldte Flettner-rotorer, der erstattede traditionelle sejl.
Verdens største vindmølleproducent Enercon lancerede den 2. august 2010 på Lindenau-værftet i Kiel, et 130 meter 22 meter bredt roterende skib, der senere blev navngivet “E-Ship 1”. Derefter blev den med succes testet i det nordlige og Middelhavet og transporterer i øjeblikket vindgeneratorer fra Tyskland, hvor de produceres, til andre europæiske lande. Det udvikler en hastighed på 17 knob (32 km / t), og transporterer samtidig mere end 9 tusind ton last, dens besætning er 15 personer.
Det Singapore-baserede rederi Wind Again, en brændstof- og emissionsreduktionsteknologi, tilbyder specialdesignede Flettner-rotorer (sammenfoldelige) til tankskibe og fragtskibe. De reducerer brændstofforbruget med 30-40% og lønner sig om 3-5 år.
Det finske mariningeniørfirma Wartsila planlægger allerede nu at tilpasse sine turbosails på krydstogter. Dette skyldes ønsket fra den finske færgeoperatør Viking Line om at reducere brændstofforbrug og miljøforurening.
Brugen af Flettner-rotorer på lystfartøjer undersøges af University of Flensburg (Tyskland). Stigende oliepriser og alarmerende opvarmning af klimaet synes at være gunstige betingelser for tilbagevenden af vindmøller.
Yachten designet af John Marples "Cloudia" er en genopbygget trimaran Searunner 34. Yachten blev først testet i februar 2008 i Fort Pierce, Florida, USA, og dens oprettelse blev finansieret af Discovery Channel. "Claudia" viste sig at være utroligt manøvrerbar: hun stoppede og tændte baglæns i løbet af få sekunder, bevægede sig frit i en vinkel på ca. 15 ° til vinden. En mærkbar forbedring af ydeevnen i forhold til den traditionelle Flettner-rotor skyldes yderligere tværgående skiver monteret på de forreste og bageste trimaran-rotorer.