Платна във формата на колони Магнус ефект, Супер еластична гофрирана обвивка
изобретения, патенти и новаторски дизайни Uvakina V.F.
Платна под формата на колони: ефектът на Магнус
Известната документална поредица „Подводната одисея на екипа Кусто“ е заснета от великия френски океанограф през 60-те и 70-те години на миналия век. След това основният кораб на Кусто е преустроен от британския миночистач Калипсо. Но в един от следващите филми - "Преоткриването на света" - се появи друг кораб, яхтата Alcyone. Гледайки я, много зрители си зададоха въпроса: какви странни мачти-платна са инсталирани на яхтата.
Кусто за първи път тества прототип на турбоветрило на катамарана Moulin à Vent през 1981 г. Най-голямото успешно пътуване с катамаран е от Танжер (Мароко) до Ню Йорк под наблюдението на по-големия кораб от експедицията.
Корабът е кръстен на Алкиона, дъщеря на древногръцкия бог на ветровете Еол.
Турбоветрилото, работещо като спомагателно задвижване, прилично спестява енергията на дизелов двигател.
Преходът беше към своя край, когато недалеч от американския бряг корабът трябваше да се изправи срещу вятър със скорост над 50 възела. Заваръчните шевове, държащи турбоветрилото изправено, се спукаха и прототипът се разби в морето. Изследователската програма на кораба имаше за цел да определи ефективността на задвижването на системата. Въпреки че турбоветрилото осигурява тяга и мощност, то е в по-малки количества от конвенционалните платна и генератори, които заменя. Структурни проблеми в системата доведоха до структурно изкривяване и напукване в основата на платното (поради умора на метала). Всичко това значително намали ефективността на турбоветрилото. След като основната идея беше потвърдена, Кусто и неговата група спряха работатапрототип, като се фокусира изцяло върху по-големия кораб, Alcyone.
Фондация Cousteau придобива яхтата Alcyone през 1985 г. и този кораб се счита не толкова за изследователски кораб, а като база за изучаване на ефективността на турбоветрилата, оригиналното корабно задвижване. А кога след 11? години, когато легендарният "Калипсо" потъва, "Алкиона" заема нейното място като основен кораб на експедицията (между другото, днес "Калипсо" е вдигнат и е в полуразграбено състояние в пристанището Конкарно).
Всъщност Кусто е изобретил турбоветрилото. Както и водолазно оборудване, подводна чиния и много други устройства за изследване на морските дълбини и повърхността на океаните. Идеята се заражда още в началото на 80-те години на миналия век и е да се създаде най-екологичното, но същевременно удобно и модерно задвижване на водоплаващи птици. Използването на вятърна енергия изглеждаше най-обещаващата линия на изследване. Но тук е проблемът: човечеството е изобретило платното преди няколко хиляди години и какво може да бъде по-просто и по-логично?
Разбира се, Кусто и компанията разбират, че е невъзможно да се построи кораб, задвижван единствено от платна. По-точно, може би, но неговото шофиране ще бъде много посредствено и зависимо от капризите на времето и посоката на вятъра. Поради това първоначално е планирано новото "платно" да бъде само спомагателна сила, приложима в помощ на конвенционалните дизелови двигатели. В същото време турбоветрилото значително ще намали разхода на дизелово гориво, а при силен вятър може да се превърне в единственото задвижване на плавателния съд. И погледът на изследователския екип се обърна към миналото - към изобретението на немския инженер Антон Флетнер, известният авиоконструктор със сериозен принос в корабостроенето.
Ротор на Flettner и ефектМагнус
Идеята на Флетнер е да използва така наречения ефект на Магнус, чиято същност е следната: когато въздушен (или течен) поток обтича около въртящо се тяло, се образува сила, която е перпендикулярна на посоката на потока и действа върху тялото. Факт е, че въртящ се обект създава вихрово движение около себе си. От страната на обекта, където посоката на вихъра съвпада с посоката на потока течност или газ, скоростта на средата се увеличава, а от другата страна намалява. Разликата в налягането създава напречна сила, насочена от страната, където посоката на въртене и посоката на потока са противоположни на страната, където съвпадат.
Този ефект е открит през 1852 г. от берлинския физик Хайнрих Магнус. Един от неговите класически експерименти вървеше така: „Един месингов цилиндър може да се върти между две точки; бързото въртене на цилиндъра беше съобщено, както в горната част, с кабел. Въртящият се цилиндър беше поставен в рамка, която от своя страна можеше лесно да се върти. Силна въздушна струя беше вдухана в тази система с помощта на малка центробежна помпа. Цилиндърът се отклони в посока, перпендикулярна на въздушния поток и на оста на цилиндъра, освен това в посоката, от която посоките на въртене и струята бяха еднакви ”(L. Prandtl„ Ефектът на Магнус и вятърният кораб ”, 1925 г.).
Всъщност Флетнър направи доста просто нещо. Той инсталира хартиен цилиндър-ротор с височина около метър и 15 см в диаметър на тестова лодка с дължина метър и адаптира часовников механизъм, за да го върти. И лодката изплува. Доказвайки на практика възможността за използване на страничната сила в резултат на ефекта на Магнус, Флетнер решава да преобразува тримачтовия Букау във въртящ се кораб.
Роторите Bukau се задвижваха от електрически двигатели. Всъщност,нямаше разлика от класическите експерименти на Магнус в дизайна. От страната, където роторът се върти към вятъра, се създава зона с повишено налягане, а от другата страна то се намалява. Получената сила задвижи кораба. Освен това тази сила е около 50 пъти по-голяма от силата на натиска на вятъра върху неподвижен ротор!
Това отвори големи перспективи за Flettner. Освен всичко друго, площта на ротора и неговата маса бяха няколко пъти по-малки от площта на ветроходното въоръжение, което би дало еднаква движеща сила. Роторът беше много по-лесен за управление и беше доста евтин за производство. Отгоре Flettner покри роторите с плочи - това увеличи движещата сила около два пъти поради правилната ориентация на въздушните потоци спрямо ротора. Оптималната височина и диаметър на ротора за Букау бяха изчислени чрез продухване на модел на бъдещия кораб във аеродинамичен тунел.
Роторът Flettner се оказа отличен. За разлика от конвенционалния ветроходен кораб, ротационният кораб практически не се страхуваше от лошо време и силни странични ветрове, лесно можеше да се движи на променливи халсове под ъгъл от 25 спрямо насрещния вятър (за конвенционално платно ограничението е около 45). Два цилиндрични ротора (височина 13,1 м, диаметър 1,5 м) направиха възможно перфектното балансиране на плавателния съд - той се оказа по-стабилен от платноходката, която Букау беше преди преструктурирането. Тестовете бяха проведени и в тишина, и в буря, и с умишлено претоварване - и не бяха установени сериозни недостатъци. Най-благоприятна за движението на кораба беше посоката на вятъра точно перпендикулярна на оста на кораба, а посоката на движение (напред или назад) се определяше от посоката на въртене на роторите.
Но в края на 20-те години на миналия век настъпва Голямата депресия. През 1929 г. чартърната компания отказва по-нататъшния лизинг на Barbara и тя е продадена. Нов собственикпремахнаха роторите и преобразуваха кораба по традиционната схема. И все пак роторът загуби винтови витла в комбинация с конвенционална дизелова електроцентрала поради зависимостта си от вятъра и някои ограничения на мощността и скоростта. Flettner се обърна към по-обещаващи изследвания и Баден-Баден в крайна сметка потъна в карибска буря през 1931 г. И те забравиха за роторните платна за дълго време ...
Турбоветрило Кусто
Платноходките се строят през целия 20 век. В съвременните кораби от този тип ветроходното въоръжение се сгъва с помощта на електрически двигатели, новите материали позволяват значително облекчаване на дизайна. Но платноходката си е платноходка и идеята за използване на вятърна енергия по радикално нов начин витае във въздуха от дните на Flettner. И е взето от неуморния авантюрист и изследовател Жак-Ив Кусто.
В напречно сечение турбоветрилото представлява нещо като капка, която е удължена и заоблена от острия край. Отстрани на „капката“ има решетки за всмукване на въздух, през една от които (в зависимост от необходимостта от движение напред или назад) се изсмуква въздух. За най-ефективно засмукване на вятъра във въздухозаборника, на турбоветрилото е монтиран малък вентилатор, задвижван от електрически мотор.
Той изкуствено увеличава скоростта на движение на въздуха от подветрената страна на платното, засмуквайки въздушната струя в момента на отделянето й от равнината на турбоветрилото. Това създава вакуум от едната страна на турбоветрилото, като същевременно предотвратява образуването на турбулентни вихри. И тогава действа ефектът на Магнус: разреждане от едната страна, в резултат на това - странична сила, която може да задвижи кораба. Всъщност турбоветрилото е вертикално крило на самолет, поне на принципасъздаването на движеща сила е подобно на принципа на създаване на повдигаща сила на самолет. За да бъде турбоветрилото винаги обърнато към вятъра в най-благоприятната посока, то е оборудвано със специални сензори и е монтирано на въртяща се платформа. Между другото, патентът на Кусто предполага, че въздухът може да бъде изсмукан от вътрешността на турбоветрилото не само от вентилатор, но и например от въздушна помпа - така Кусто затвори вратата за следващите "изобретатели".
Всъщност Кусто за първи път тества прототип на турбоветрило на катамарана Moulin Vent през 1981 г. Най-голямото успешно пътуване с катамаран е от Танжер (Мароко) до Ню Йорк под наблюдението на по-големия кораб от експедицията.
Малко преди смъртта си през 1997 г. Кусто активно работи по проекта на кораба Calypso II с турбоветрило, но не успява да го завърши. По последни данни през зимата на 2011 г. Alkione е бил в пристанището на Каен и е чакал нова експедиция.
Отново Flettner
Но турбо-ветрилото на Кусто все още е малко забравено: "Alcyone" днес е единственият пълноразмерен кораб с този тип задвижване. Опитът на германските корабостроители ще покаже дали има смисъл темата за платната, задвижвани от ефекта на Магнус, да се развива по-нататък. Основното нещо е да се намери икономическа обосновка за това и да се докаже неговата ефективност. И там, виждате, цялото световно корабоплаване ще премине към принципа, описан от талантлив немски учен преди повече от 150 години.