Последнее время появилось достаточно много примеров использования альтернативных "парусов". Самый яркий пример - "Алькиона" Жака Ива Кусто.

На этом научном судне используется привод изобретенный Магнусом. Принцип действия в следующем: использование подъемной силы создаваемой за счет вращения вертикального цилиндра вокруг оси. Создаваемая аэродинамическая сила направлена перпендикулярно оси вращения цилиндра и направления ветра. Используя этот принцип, немецкий судостроитель А.Флеттнер построил несколько судов (в том числе и 11-ти-метровую яхту) на которых вместо парусов были установлены вращающиеся цилиндры - роторы.

Подобный эффект применяется в "большом теннисе", так называемый "крученый" удар. Когда мяч летит по дуге, за счет быстрого вращения вокруг оси. Кусто с Мавларом усовершенствовали ротор Магнуса, следующим образом: сделать свободно вращающийся цилиндр диаметром 1,5-2 м, в условиях килевой и бортовой качки проблематично, поэтому они решили добиться создания подъемной силы за счет принудительного разрежения воздуха с подветренной стороны через узкую щель в цилиндре. Свое новшество они назвали "Турбосейл".

Существенный недостаток заключается в том, что на привод вентилятора необходимо тратить энергию основного или вспомогательного двигателя. Экономический эффект от такого движителя по признанию самих создателей 15-35 % экономии топлива. Это оправданно на супертанкере "Батиллус" (540 000 т), но на судне длиной 10-15 м теряет всякий смысл, с тем же успехом можно использовать экономичный двигатель на моторной яхте, и добиться большей экономии топлива. Если установить на "Алькиону" традиционное парусное вооружение можно было бы добиться 60 % или даже 90 % экономии топлива.

Виндротор - привод, приводимый в действие ветром, преобразующий давление и силу ветра во вращение винта регулируемого шага (ВРШ) посредством гидропередачи (гидромотор-гидронасос). В качестве основного преобразователя силы ветра во вращение винта используется обычный роторный ветрогенератор. С той лишь разницей, что вместо электрогенератора навешен ВРШ.

Подобный привод имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными парусами. Неподвержен износу как парусная ткань, значительно дешевле изготовление и используемые материалы. Меньшее водоизмещение за счет уменьшения кренящего момента, присутствует незначительная кренящая сила »10 % от паруса. Нет надобности в установке тяжелого киля. Вращательное движение виндротора вокруг оси создает гироскопический стабилизационный момент (гироскоп стремится соблюдать ось вращения и противится изменению угла наклона оси вращения). Независимость от направления ветра, угол курса к ветру может составлять 5°, при традиционных парусах на катамаране "Торнадо" курсовой угол в ветру может быть не менее 10 -15°, однокорпусные яхты - 15 - 35°, а иногда и 45-50°. Приведение судна в движение осуществляется при помощи ВРШ, так как изменить вращение виндротора невозможно. Ветровая нагрузка не постоянна, в слабые ветра можно пожертвовать скоростью, установив меньший угол атаки лопастей ВРШ (паруса в слабый ветер тоже не сильно "тянут"). Крепление виндротора не значительно отличается от стоячего такелажа мачты. Установленные парные виндроторы на яхте не будут давать корпусу развивать большую килевую и бортовую качку (гироскоп).

Однако есть и недостатки у такого рода движителя. Если не использовать высокопрочные легкие сплавы или пластмассы, то общая масса виндротора будет больше чем у обычного парусного вооружения. Гироскопическая стабилизация также имеет вторую сторону. Судно с виндротором должно быть высокобортное (при длине 14 м высота борта должна быть не менее 10 - 15 % от длины) для уменьшения заливаемости, что создает воздушное сопротивление. При соблюдении аэродинамики надстроек его можно уменьшить. Сами виндроторы должны быть оборудованы тормозными устройствами, для остановки их на стоянке (кроме случаев, когда необходимо вращать генератор для подзарядки аккумуляторов) и притормаживании в сильный ветер. Когда ветер усиливается до критических показателей прочности конструкции виндротора (9-12 б.), можно дать большую нагрузку (лопасти в "тяжелый" сектор), или просто остановить его. Давление ветра вряд ли сможет разрушить виндротор, к этому может привести высокая скорость вращения и плохая балансировка. Невозможность уменьшить парусность, "взять рифы", тоже относится к недостаткам. Для компенсации уменьшающейся остойчивости в сильный и очень сильный ветер необходимо установить днищевые балластные цистерны, наполняемые забортной водой. Прием балласта, увеличение осадки влечет за собой улучшение остойчивости судна (ЦТ ниже КВЛ). Также необходимо изменить курс на фордевинд, если есть возможность, и увеличить нагрузку на ось виндротора.

Подобный "парусник" управляется двумя органами управления: углом атаки лопастей ВРШ и рулем. Необходимая для этого команда - один человек, которого вполне может заменить ПК, совмещенная с GPS (спутниковой навигационной системой) и радаром. В обеих вариантах необходимо указать курс движения судна и избегать аварийных ситуаций при расхождении с другими судами, это вполне реально. Гидропривод позволяет передавать на вал ВРШ полный крутящий момент с КПД »90 %. Обслуживание его минимально. Виндротор вращается со скоростью до 1500 об/мин и представляет опасность для людей находящихся рядом, его необходимо закрыть релингом исключающим травмирование людей, и не мешающим ветру, тогда он станет безопасней. Оба виндротора (при двухроторной схеме "вооружения") должны быть идентичными в размерах, чтобы не использовать сложную систему обгонных муфт и дифференциалов. Создаваемый ими крутящий момент превосходит потребляемый момент ВРШ, поэтому в сильный ветер также можно нагрузить их вращением генератора. Однако судно с виндротором не желательно использовать без стационарного или подвесного двигателя. Бывают ситуации, когда нет или недостаточно ветра и необходимо выполнить какие-нибудь маневры (аварийные, спасательные, причальные), но можно обойтись и без него (спортивный вариант).

Мы рассмотрели два типа альтернативы парусам, но есть роторы и других типов. "Венчик миксера (яйцевзбивалка)". Применение дугой согнутых и вращающихся узких лопастей (подобных вертолетным) на вертикальной оси, не оправдано. Только 70 % лопасти движется в активном потоке и создает подъемную силу, 30 % тормозит вращение и уменьшает КПД установки, увеличивая воздушное сопротив ление. Также необходимо учитывать угловую скорость каждой части лопасти и соответственно обтекания воздушным потоком этой части. Также необходимо учитывать угловую скорость каждой части лопасти и соответственно обтекание воздушным потоком этой части. Непродуктивность работы подобного ротора ставит в его в один рад с "Турбосейлом". Сложность управления незначительна. Вероятно, подобные роторы можно использовать на сравнительно небольших судах и относительно спокойных акваториях, с малой волной и непредельными ветрами. Предлагать его как единственный и постоянный движитель для яхты нерационально. Подобные неустойчивые системы нуждаются в дублировании двигателями внутреннего сгорания.

"Н-образный". Соответствует названию и выглядит так. На вертикальной оси вращается горизонтальная балка обтекаемой формы, которая поддерживает две вертикально установленные лопасти. Недостаток: сложность механизма управления лопастями, гиростабилизационная составляющая конструкции, которая сильно влияет при килевой и бортовой качке. Внешний диаметр ротора будет в ширину корпуса, или более, что создает неудобства при швартовке в ограниченных акваториях и подходе к берегу. Применение такого типа ротора создает на палубе большую "монтажную зону", которую очень сложно огородить. При попытке поднять выше сам ротор, уменьшается остойчивость, повышается ЦТ. Также подобный движитель имеет сравнительно низкий КПД. При сравнении с "Венчиком миксера" движение лопастей "Н-образного" в более выгодных условиях, технические проблемы возникают при рассмотрении работы системы в динамике штормового моря.

Лопастное колесо. Подобный движитель давно используется людьми, имеет высокий КПД и относительно не сложную конструкцию (угловой редуктор, гидропривод на ВРШ). Это преимущества, а недостатки в следующем: угловой редуктор, поднятый на высоту, сильно влияет на ЦТ, сложный аппарат управления и поворота к ветру. Высокоточная балансировка самого колеса и практически мгновенное разрушение при повреждении хотя бы одного из элементов. Гироскопический момент серьезно влияет на движение яхты в штормовых условиях, при этом направление прилагаемой силы переменно и учесть ее сложно. Необходимо использовать тяжелый киль из-за высоко поднятого ЦТ. В аэродинамике вертолета есть понятие - аэроротации. При аварийной остановке двигателя вертолета, пилот переводит лопасти в режим ротации. Принцип действия в следующем. Из вращающихся четырех лопастей поток приводит во вращение две, другие две создают обратную подъемную силу. Этот принцип можно использовать для движения яхты, при этом можно отказаться от ВРШ. Есть и недостаток этой системы: кроме перечисленных выше, угол атаки к ветру не менее 25 - 30°, что является не существенным преимуществом перед традиционным парусом.

Развивая идею ротации, приходим к выводу, если совместить виндротор и Н-образный (Н-виндротор) движители, можно получить интересную систему нового поколения. Виндротор преобразует силу ветра во вращение, укрепленный на той же оси Н-образный ветряк, создает подъемную силу, направленную по курсу движения судна. Подобную схему можно использовать как вспомогательную, не энергопотребляемую систему. Как и "Турбосейл", она даст экономию топлива, но без расхода энергии основного двигателя. Основным местом оправданного применения этого комбинированного движителя можно считать суда длиной от 30 м и более, которые не испытывают значительную бортовую и килевую качку, также речные, и суда "река-море" эксплуатируемых на сравнительно спокойных акваториях. По приблизительным подсчетам эта система даст экономию до 20 - 30 % топлива. Управление движителем сводится к определению направления ветра и установки лопастей Н-образного ротора в оптимальный тянущий режим, что вполне может быть автоматическим.

Использование подобного движителя на яхтах сложно оценить, так как масса конструкции весьма значительна, ЦТ находится очень высоко. Обеспечивая нормальную остойчивость, необходимо увеличивать ширину корпуса и массу балласта. Киль в данном случаи может, не понадобится из-за возможности скомпенсировать дрейф установкой направления тяги. Выигрыш от этого альтернативного движителя меньше чем от паруса, сложность конструкции на порядок выше. НВР (Н-образный ВиндРотор) и "Турбосейл" не пригодны для использования на малых и средних яхтах по причинам описанным выше.

Жесткие паруса - крылья. Крыло - это хорошо обтекаемое тело, не симметричного каплевидного сечения. Ветер, обтекая меньшую и большую сторону, создает подъемную силу (см. "аэродинамика крыла"). В последнее время использование жестких парусов на яхтах участилось, началом может быть "Stars and Stripes" - катамаран, защищавший Кубок Америки, "Blue Arrow" - судно, совмещающее в себе воздушное и подводные крылья, "Macquarie innovation" (автор Л. Каннинхем, см. "Шкипер" № 3-99). Создатели этих уникальных парусников (крыльевиков - будет точнее) планировали достичь скорости 50 и даже 100 узлов и это далеко не фантастика. Сопротивление движению яхты минимальны, остойчивость высокая. К недостаткам подводного крыла можно отнести затрудненный разгон на крыло и невозможность двигаться по взволнованному морю. Но перспективы есть. Воздушное крыло имеет высокий КПД, но и высокую массу, а также ряд других технических недостатков. К ним относятся: "взятие рифов", смена галса (изменение сечения крыла). Рассмотрим возможные решения проблем по очереди.

Взятие рифов. Уменьшение парусности можно добиться уменьшением угла атаки крыла к ветру вплоть до флюгерного положения. При порывисто-переменном ветре это не поможет. Смена галса. Если крыло жесткое и не может менять сечение, то выходом будет крыло V-образной формы с углом 160°, закрепленным на Г-образной мачте. При смене галса верхний и нижний концы крыла меняются местами. Если крыло способно менять сечение, то оно составное и его аэродинамическое качество ниже. При увеличившейся массе конструкции все преимущества не в пользу новшества.

Есть также проекты, где крыло состоит из узких стоящих в одну линию симметричных крыльев. Решение вышесказанных проблем также не достигнуто. Масса еще более увеличилась, подобное крыло можно использовать только на многокорпусных яхтах. Хотя преимущества тоже существенны. На каждом отдельном крыле создается подъемная сила, также взаимное влияние крыльев друг на друга. Какой вариант может появиться в будущем, сказать сложно.

Сейчас идут эксперименты с летящим крылом. Для этого используют параплан, планер или воздушный змей. Управление таким комплексом: яхта + планер, превосходит по сложности любой из них отдельно. Также никто не отменял и старую теорию: все, что поднято с земли (воды), когда-то упадет. В речном варианте это вообще не реально: проход под мостом, ЛЭП, заход в гавань яхт-клуба, где плотно стоят яхты с высокими мачтами.

Также недавно создана система свободновращающейся мачты с укрепленными на ней парусами (Аэрориг) и представляющая собой симбиоз между жестким крылом и традиционным парусным вооружением. На месте крепления мачты в корпусе концентрируются существенные силы, способные значительно утяжелить корпус и свести на нет, все преимущества такого вооружения. Увеличение массы крыла, а в следствии этого и увеличение КМ ведет к увеличению балласта, ширины, водоизмещения и сводит на нет все преимущества высокого КПД. Кажущееся решение - катамаран, тримаран и полимаран вплоть до плота.

Строгий анализ показал, что при простоте конструкции самые неплохие качества у качающегося крыла. Подъемная и кренящая силы направлены не перпендикулярно ДП, а под углом к ней. Кренящий момент уменьшается и вполне может быть скомпенсирован качающимся килем, в V-образном крыле это идея развита наиболее. Создать легкое крыло, не меняющее свое сечение, вполне возможно. Выполнить его качающимся на Г-образной мачте вдвое ниже, чем размах крыла, также технически доступно. Менять угол атаки к ветру можно поворотом мачты вокруг вертикальной оси. Ванты - растяжки крепятся к скользящему коромыслу. Мачта стоит в стакане на опорных и скользящих подшипниках. Такая конструкция может сравниться со стандартным парусным вооружением.

Одно из интересных решений, использование обычной парусной ткани (дакрон или лавсан) для создания крыла. Смысл его в следующем. По передней шкаторине пришивается карман, накрывающий 1/3 ширины паруса и надевающийся на мачту (круглую трубу) как на "Луче". Краспицы и ванты вставляются в предусмотренные прорези. Парус должен быть со сквозными латами, немного не доходящими до мачты (внутри кармана). Теперь о преимуществах. Подобное крыло имеет близкое к оптимальному показателю изменяемое сечение, полностью сглаживаются турбулентные завихрения от мачты и передняя шкаторина работает более эффективно. Недостаток: взять рифы можно только на берегу, разложив мачту и свернув парус. При резком шквале надо менять курс на фордевинд и убирать дополнительные паруса.

Исходя из всего выше сказанного, можно сделать вывод. Традиционное парусное вооружение было и остается одной из основных позиций соотношения "простота - КПД". Все нетрадиционные движители необходимо сравнивать с парусами по критериям: простота, КПД, вес, управление. Основным общим недостатком всех движителей можно считать сложность конструкции и управления. Больше это касается крыльевого и Н-Виндротора. Виндротор с приводом на ВРШ значительно проще в управлении, масса самого ротора находится в одном порядке с массой парусного вооружения. За подобными системами возможно ближайшее будущее и не только парусного флота, но и торгового. Вряд ли в ближайшее время появятся массово жесткие крылья на яхтах. Чтобы это произошло необходимо решить рад технических вопросов, не дающих использовать движитель с более высоким КПД сейчас. Одно из них, вес конструкции не должен превышать веса парусного вооружения. Использование новых, дорогих материалов для создания крыла может даже откинуть назад саму идею. Изменяемое сечение или качающееся крыло также нуждается в доработках и натурных испытаниях, чтобы можно было судить о них в полной мере. Весьма призрачное будущее у всякого рода летающих парусов. Они останутся как спортивный или гоночный вариант, в массы им из-за непрактичности и сложности управления - пути нет.

Возможно, появятся новые идеи, не попавшие под этот анализ в данном описании. Поживем, увидим.

mailto:v_samsonenko@mail.ru">Самсоненко Валерий.

24.01.2002