Движители Флетнера -
Основы гравитационной механики
В 1926 году эксперты британского общества «Регистр Ллойда» оказались в затруднительной ситуации — одно и то же судно им пришлось внести в классификационные списки дважды: в раздел «пароходы» и в раздел «парусники». Дело в том, что по действовавшим тогда регистрационным правилам, плавсредство, имеющее механический двигатель (будь то паровая машина, дизель или газовая турбина), считалось «пароходом». С этой точки зрения, судно голландского изобретателя Антона Флеттнера с его дизель-электрической установкой на борту по праву следовало бы отнести именно в этот разряд. Но как поступить, если при этом главной движущей силой у судна Флеттнера, как и у всех парусников, была сила ветра…
Все началось с ядра
В истории техники трудно найти другой пример механического изобретения, у истоков которого стояло бы столько профессоров, как у изобретения Флеттнера. Первым из них был профессор физики Берлинского университета Густав Магнус. В 1852 году к нему обратились артиллеристы за разрешением проблемы: их пушечные ядра даже в безветренную погоду иногда ни с того ни с сего меняли свою траекторию, отклоняясь вправо или влево от вертикальной плоскости стрельбы. Магнус предположил, что причина такой «аномалии» — вращение ядер. Для проверки гипотезы он смастерил прибор, на котором силу, вызывающую отклонение снаряда, можно было моделировать. Конструкция представляла собой тележку с установленным на ней вертикальным бронзовым цилиндром, которая могла передвигаться по рельсам поперек воздушного потока. Если цилиндр не вращался, тележка при обдувании воздухом оставалась неподвижной. Стоило же привести цилиндр во вращение — тележка начинала перемещаться поперек потока в сторону, где окружная скорость цилиндра и скорость воздушного потока совпадают. Вращая цилиндр в другую сторону, можно было заставить тележку двигаться в противоположном направлении.
Компоновочная схема судна ФлеттнераОбъяснив эффект качественно, Магнус не сумел произвести точных количественных измерений и дать какие-либо расчетные формулы. Не удалось сделать этого и английскому профессору лорду Рэлею, который спустя 25 лет связал секрет «резаных» мячей в теннисе с эффектом Магнуса. Спустя еще четверть века московский профессор Н. Жуковский, занимавшийся теоретическими исследованиями крыла, доказал, что подъемную силу можно получить и на цилиндре. Примерно в это же время, в 1910-1911 годах, французский профессор Лафё произвел первые более или менее точные измерения этой силы.
Шхуна «Букау» до и после ее переоборудованияВ 1918 году к теме вращающегося в потоке цилиндра снова обратились немецкие профессора — Прандтль и Феттингер. В аэродинамической лаборатории Геттингенского университета они выполнили тщательнейшее теоретическое и экспериментальное исследование эффекта Магнуса. Об этих работах еще один немецкий профессор — Альберт Эйнштейн — писал впоследствии: «Прандтль фактически осуществил то, что затем изобрел Флеттнер. Когда Флеттнер наблюдал за экспериментами Прандтля, ему и пришла в голову идея, что этот прибор может заменить паруса. Кто знает, додумался ли кто-нибудь до этого, если бы не Флеттнер?»
Труба вместо паруса
К 1920 году Антон Флеттнер сформулировал основную концепцию своей деятельности: создать ветровой движитель более эффективный, чем парус. Сейчас трудно предположить, что заставляло талантливого голландца с таким завидным упорством биться над разработкой ветровых движителей. Возможно, ему просто была невыносима мысль отказаться от ветра как источника движущей силы. Он перепробовал десятки авиационных крыльев различных форм и размеров, пока не остановился на эффекте Магнуса. Запатентованное в 1923 году судно Флеттнера было, по сути, ни чем иным, как увеличенной в сотни раз тележкой, с которой в середине XIX столетия экспериментировал берлинский профессор. А спустя три года после выдачи патента появилось необычное судно, которое и озадачило экспертов «Регистра Ллойда».
Схема действия ротора ФлеттнераНа корпусе шхуны «Букау» вместо мачт Флеттнер установил два вертикальных ротора. Высота каждого из них составляла 13 метров, диаметр — 3 метра. Два электродвигателя по 11 кВт вращали роторы со скоростью 750 об/мин. Когда ветер обдувал вращающиеся цилиндры, на них возникала поперечная сила, которая и двигала судно. Флеттнер видел преимущество такой конструкции в том, что при прочих равных условиях площадь поперечного сечения роторов была в десять раз меньше, чем площадь парусов. Первые удачные опыты подтвердили правоту Флеттнера и добавили энтузиазма его исследованиям.
Переименованная в «Баден-Баден» бывшая шхуна «Букау» совершила несколько рейсов вокруг Британских островов и Европы, и даже пересекла Атлантику. Успех этого перехода инициировал постройку сразу нескольких роторных яхт и крупного судна «Барбара» водоизмещением более 2000 тонн. Оборудованное тремя роторами, в течение нескольких лет оно совершало рейсы между Северным и Средиземным морями.
Небольшая яхта, оборудованная ротором (фото начала 1930-х годов)Однако регулярная эксплуатация вскоре выявила неустранимые недостатки судов Флеттнера. Для вращения роторов использовались механические двигатели и, следовательно, для них требовался достаточный запас топлива, поэтому о неограниченной дальности плавания, как у парусников, речи не шло. А поскольку главной движущей силой для них все-таки оставался ветер, выдерживать расписания, как рейсовые пароходы, роторные суда не могли. Постепенно ажиотаж стал затихать, прошло всего несколько лет, и громоздкие, напоминающие заводские трубы роторы исчезли с морских горизонтов. Флеттнеровские корабли пошли на слом. Суровая экономика не подтвердила их прав на жизнь.
Ошибка профессора Гюмбеля
Неисповедимы пути, которыми известность приходит к изобретателям. И, к сожалению, зачастую мы даже не помним имена тех, чьи открытия преобразили лицо нашего мира. Зато о роторных судах Флеттнера писали так много и часто, что они вошли едва ли не во все энциклопедии и учебники по судостроению. Даже уже упомянутый Эйнштейн посвятил им в 1930-х годах отдельную обстоятельную статью. Как и многих других ученых, его привлекало, по-видимому, то, что это изобретение родилось непосредственно из научного исследования, что наука выступала здесь на первом плане.
Трехроторное судно «Барбара»Парадоксально, но как раз именно предприимчивость и напористость Флеттнера помешали тогда развитию первоначальной идеи. Впечатляющие масштабностью роторные корабли и поднятая вокруг них шумиха затмили небольшой приборчик, построенный в Геттингенском университете профессором Гюмбелем.
«Алкиона» (фр. Alcyone) — экспедиционное судно Ж.-И. Кусто 1983-1985 годов постройки, оборудованное системой «турбопарус» (с эллипсными роторами), запатентованной фондом КустоЕще Н. Жуковский ясно показал, что вращающийся вокруг своей оси цилиндр в принципе ничем не отличается от лопасти: при обдувании воздухом на таком цилиндре, как и на лопасти, возникает подъемная сила. Чтобы продемонстрировать это сходство, Гюмбель сделал турбину, в которой вместо лопастей были вращающиеся в разные стороны цилиндры. Поместив конструкцию в поток, он убедился, что она начинает вращаться. Правда, лобовое сопротивление цилиндров настолько превышало сопротивление обычных лопастей, что ученый отнесся к своему прибору как наглядному пособию для студентов — не более. Как и Флеттнер, он считал необходимым условием получения подъемной силы вращение цилиндров.
Вертушка профессора ГюмбеляОкажись немецкий профессор в нашем времени, он с удивлением бы узнал, что во многих странах мира сегодня ведутся исследования, базирующиеся на эффекте Магнуса. И не только применительно к судостроению. Есть проекты использования роторов и в современной авиации, и в альтернативной энергетике. Впрочем, как говорится, — это уже другая история…
Геннадий СМИРНОВ