10 главных изобретений в истории мореплавания

Летучий француз

Громадные неповоротливые дирижабли, успевшие застать эпоху парусных судов, вполне закономерно обзавелись мачтами и полотнищами парусов. Другое дело — самолеты, которым подобные устройства совершенно, казалось бы, ни к чему. Однако так считали не все изобретатели. В 1925 году датчане представили удивленной общественности шеститонную летающую лодку с неплохими характеристиками: максимальной скоростью 200 км/ч и потолком почти в 4 км. Однако на воде легким движением руки самолет превращался… в двухмачтовую шхуну! Два косых паруса были призваны наслаждаться морской прогулкой и экономить топливо.


1909, проект Сэмьюэла Уилера (США). Начало XX века породило «патентный бум». Огромное количество изобретателей создавали свои варианты парусных летательных средств. Житель Чикаго Сэмьюэл Уилер спроектировал, к примеру, странный аппарат, подозрительно напоминающий летающую барку итальянского иезуита Ланы. По идее Уилера, подъемную силу создают наполненные водородом баллоны, а движение вперед происходит благодаря комбинации толкающего пропеллера и трех парусов. Последние также принимают участие в управлении аппаратом.

Если у датчан паруса работали только на воде, то на сконструированном в 1930 году неким американцем планере они призваны были служить основным движителем! Изобретателю понадобился год экспериментов, чтобы оторвать свое детище от земли и взлететь. Правда, полет на парусном планере был весьма небезопасен: порыв бокового ветра запросто мог перевернуть машину днищем вверх. Планер летал: в журнале Popular Mechanics за август 1930 года есть даже фотографии полета парусного аппарата, но больше ничего об этом курьезе не известно.

Понадобилось еще семьдесят с лишним лет, чтобы подобные машины вновь заинтересовали изобретателей. В 2007 году американец Джон Наттингер получил патент на гидросамолет, крылья которого в вертикальном положении служат парусами! При этом каждое крыло может еще и поворачиваться вокруг своей оси, «ловя» ветер.

Наконец, в 2010 году французский дизайнер Елкен Октури, работающий в концерне Airbus, представил на суд публики два концепта гибридов яхты и самолета. Первая четырехместная модель (длина — 15,1 м, высота мачт — 16,7, площадь парусов- 118 м², размах крыльев — 37,7 м) заказана неким Сильваном Мариачи, который планирует кататься на летающей яхте вдоль венесуэльского побережья. Движение яхты-самолета обеспечивает двигатель Recchia & Husser с приводом на толкающий винт. Емкости топливных баков хватает для полета на 450 км. Второй концепт представляет собой четырехмачтовый тримаран (длина — 46,2 м, ширина- 27, высота мачт — 40,6, площадь парусов — 1302 м², размах крыльев — 90,4м), разработанный для корпоративных руководителей компании Masqat Airways. Двухпалубный тримаран летает благодаря четырем 5400-сильным двигателям Nissen & Brasseur (максимальная скорость 390 км/ч), которые вращают восемь винтов. Ну что же, может выйти и рекорд — самая быстрая парусная яхта в мире…


2010, парусный самолет Елкена Октури (Франция). Тулузский дизайнер Елкен Октури разработал два концепта самолета-яхты. О более крупной модели Flying yacht мы писали в рубрике «Техношоу» октябрьского номера журнала, а «младшая» разновидность, Sailing aircraft, перед вами. В режиме самолета крылья расположены горизонтально, при посадке на воду они поднимаются и превращаются в паруса.

Контур типичного паруса.

Если игнорировать толщину крыла, то оно может быть представлено тонкой кривой, представляющей его контур. Форма контура определяется количеством подъемной силы при заданном угле атаки. Поскольку типичный парус по определению не имеет толщины, он существует только как контур. Поток на выпуклой подветренной стороне паруса как и на крыле имеет меньшее давление за счет ускорения потока, в то время как поток на вогнутой наветренной стороне находится в зоне более высокого давления за счет замедления потока. Разница давлений на поверхностях паруса крыла удерживает гибкий парус в форме устойчивого изогнутого контура и порождает силу, движущую лодку.

Воздушные клиперы

Вскоре конструкторы поняли, что с прямыми парусами ни на воздушных шарах, ни на свежеизобретенных дирижаблях каши не сваришь. Для рационального использования силы ветра нужно было ставить на летательные средства не прямые паруса поперек судна, а косые — стаксели, кливеры и гафельные паруса.

После первых экспериментов стало ясно, что летательный аппарат не корабль и идти переменными галсами курсом бейдевинд в воздухе не удастся даже на косых парусах. Поэтому последние переквалифицировали из главного движителя в некое подобие руля. Английский ученый и изобретатель Джордж Кейли в статье «О воздушной навигации» (1810) так обосновывал эту метаморфозу: «Чтобы сделать машину совершенно устойчивой, а также дать возможность подниматься и опускаться во время полета, необходимо добавить руль, аналогичный хвосту птицы. Если силы, действующие на машину, будут предварительно уравновешены и если наименьшее давление будет создаваться потоком или на верхней, или на нижней поверхности руля, в соответствии с волей аэронавта машина будет подниматься или опускаться. Подъем и спуск машины — это единственная цель, для которой предназначен руль. Этот придаток должен снабжаться вертикальным парусом и иметь возможность вращаться из стороны в сторону в дополнение к его движениям, таким образом обеспечивая полное управление аппаратом».


Парусный гидросамолет (Дания, 1925). Когда самолет находился в воздухе, парус был свернут. При посадке на воду поднималась мачта и летательный аппарат превращался в парусник. Таким образом конструкторы планировали сэкономить топливо.

Косой парус в качестве подруливающего устройства впервые был реализован в проекте дирижабля французского инженера Станислава Шарля Дюпю и де Лома. Треугольное полотнище высотой 5 м было установлено на мачте между ладьей и шаром аэростата. 2 февраля 1872 года дирижабль впервые поднялся в воздух и даже показал неплохие полетные качества: в том случае, если ветер имел скорость ниже скорости воздушного судна (которое приводилось в движение винтом), руль исправно работал.

Удача Дюпюи де Лома породила большое количество концептов парусных дирижаблей. Проекты были самые разнообразные: так, американец Джон Крамер в 1906 году предложил «Аэродром» велосипедного типа, где воздухоплаватель должен был крутить педали, приводя в действие два винта (вертикальный и горизонтальный). Для поддержания аппарата в воздухе служил цилиндрообразный баллон, а рулить предлагалось большим парусом, установленным в хвосте. Другой американец, Питер Саморски, в 1902 году сконструировал дирижабль, где винт вращался от двигателя внутреннего сгорания. Позади кабины располагалось рулевое перо, а мачта с косым парусом наверху помогала двигать судно в воздухе и даже в случае посадки на воду.

READ  Vendee globe: одна яхта, один человек, ноль остановок


Парусный глайдер (США, 1930). Cтал первым успешным проектом. Планер поднимался в воздух и даже удостоился чести попасть на обложку журнала Popular Mechanics за август 1930 года. Правда, его паруса использовались только для управления.

Еще один американец, Сэмьюэл Уилер, не стал ограничивать себя одной или двумя мачтами и в 1909 году запатентовал летающий трехмачтовик. Судно поддерживали три воздушных шара, а вертикальное движение обеспечивалось мотором с винтом. Паруса, как и в парусно-паровом морском флоте, служили лишь дополнительным движителем. Наконец, житель Нью-Йорка Чарлз Спилка в 1912 году изобрел машину, которая и сегодня могла бы стать востребованной в каком-либо фантастическом фильме. Восемь ракетообразных баллонов поддерживали обнесенную решеткой площадку, на которой стоял, крепко взявшись за морской штурвал, воздухоплаватель. Перед ним мерно вращался тянущий винт дирижабля, а на самом верху наполнялись ветром два небольших паруса, скопированные с бизани любого морского судна.

Изолированные треугольные паруса.

Изолированный грот сам по себе (без такелажа) имеет треугольную форму, но если мачта близка к вертикальному положению, то грот закручивается вперед. Напомним, что стреловидность в яхтинге измеряется по отношению к 25% хордной линии, которая в случае треугольного паруса и вертикальной мачты наклонена вперед. Эта фактически отрицательная стреловидность оказывает сдерживающий эффект на рост восходящего потока, вызываемого клиновидной формой треугольного паруса. Реальная степень увеличения интенсивности восходящего потока будет зависеть от фактических значений клиновидности, стреловидности и относительного удлинения (высота/ширина) паруса. Поскольку треугольный парус работает в закрученном воздушном пространстве, образованном движением лодки в земном граничном слое, то ему необходимо соответствующая степень собственного закручивания.

Наклон мачты назад увеличивает стреловидность и вызывает рост восходящего потока к вершине треугольного паруса, заставляя его быть более закрученным. Стреловидность и клиновидность генуй и стакселей по определению очень высоки. Оба эти фактора в сочетании с закручиванием вымпельного ветра вызывают значительный рост восходящего потока в верхней части.

Назад в XIX век?

Итак, The Guardian пишет, что проблемой всему — две причины: экономический спад в морских перевозках, начавшийся в 2008 году, и ужесточение требований по охране окружающей среды в Европе. Если в 1980-х годах стандартная скорость сухогруза в океане составляла 25 узлов(примерно 46 км/ч), то потом она понизилась до 20 узлов, а в 2008 году — до 12 узлов. То есть скорость перевозки груза на отдельном судне упала ровно в два раза. Время прохождения судна между США и Китаем или между Австралией и Европой теперь сопоставимо с тем, сколько тратили на это парусники в XIX веке. И даже немного медленнее, как утверждается в статье. А ведь американские клиперы середины XIX века в среднем давали 14-17 узлов скорости, а некоторые — и до 22 узлов.

Тот же бостонский клипер Sovereign of the Seas, с очень длинным и узким корпусом(соотношение длины к ширине у него было 5:1, на обычных кораблях века паруса — 3,5:1), построенный в 1852 году, действительно прошёл расстояние от Нью-Йорка до Ливерпуля всего за 13 дней и 13,5 часов. При этом его средняя скорость составила 22 узла. Cutty Sark показала среднюю скорость на 2 183 морских милях в 15 узлов. Из Плимута в Сидней судно шло всего 72 дня, тогда как считалось, что этот путь займёт не меньше 100 дней. Клипер Flying Cloud затратил на переход между Нью-Йорком и Сан-Франциско через мыс Горн 89 дней.

Sovereign of the Seas, художник — Джеймс Баттерворт

Какова же была его средняя скорость? Давайте посчитаем. Чтобы узнать скорость, нам нужно всего лишь расстояние поделить на время, правильно? Расстояние между Нью-Йорком и Сан-Франциско через мыс Горн составляет 21 300 км, или 11 500 морских миль. 11 500 морских миль делим на 89 дней и получаем 130 миль в день, или… 5.4 узла. Как же так, спросит читатель! А вот так!

Может быть, посчитаем другой путь? Расстояние Нью-Йорк-Ливерпуль, которое прошёл клипер Sovereign of the Seas, — 5 300 км, или 2 860 морских миль. Делим на 13 дней, получаем 220 миль в день, или девять узлов.

В том-то и проблема, что в статье The Guardian брались пиковые показатели значений скорости парусных кораблей. То есть некоторые отрезки парусные клиперы действительно шли со скоростью и 14 узлов, и 18 узлов, и даже 22 узла. Но ведь нам-то важна средняя скорость! А она получалась гораздо меньше.

Давайте посмотрим на винджаммеры — знаменитые парусники-выжиматели ветра» начала XX века. Там мы также встретим среднее значение скорости восемь-девять узлов. Не кратковременные показатели пиковой скорости на небольших участках, а именно нормальная средняя скорость перехода. Да, некоторые рудовозы(балкеры, то есть суда с трюмами насыпного типа) идут с той же средней скоростью восемь-девять узлов, но если парусники XIX века имели полезное водоизмещение от трёх до восьми тысяч тонн, то современные суда имеют водоизмещение до 330 тысяч тонн(так называемые кейпсайзы — корабли, которые из-за своей осадки и размеров не могут пройти Панамским или Суэцким каналом, и вынуждены огибать мыс Доброй Надежды или мыс Горн), то есть могут принять груз, эквивалентный 41 паруснику!

А может, построить парусник водоизмещением в 100 тысяч тонн? Нельзя, ибо за подобный рост водоизмещения надо платить либо снижением скорости, либо увеличением площади парусного вооружения судна. Что в результате получится — представить страшно!

И всё же давайте прикинем. Тот же баркКрузенштерн»(бывшийПадуя») имеет водоизмещение 3000 тонн, при этом площадь парусов у него составляет 3400 кв. м. Понятно, что зависимость тут более сложная, но давайте для простоты примем линейную зависимость площади парусов от водоизмещения. Итак, 3000 тонн — это 3400 кв. м. парусов, а 100 тысяч тонн — это… 113 тысяч кв. м. парусов!!! Самая большая площадь парусов за всю историю парусного флота была у пятимачтового винджаммера Preussen — 6806 кв. м.

READ  Заха Хадид разработала дизайн мегаяхт для Blohm + Voss

Выглядело это вот так

Как разместить 113 000 кв. м. парусов — это даже представить невозможно.

Вымпельный и истинный ветер.

Вымпельный ветер в яхтинге является ветром, произведенным при участии треугольных парусов движущейся лодки. Его скорость и направление могут быть прямо измерены приборами на яхте в процессе ее движения. Они является комбинацией истинного ветра и ветра, порожденного движением лодки.

На рисунке показано, как эти два векторных ветровых компонента, складываясь, формируют вымпельный ветер. Следует отметить, что вектор вымпельного ветра в нижней части треугольного паруса, где истинный ветер слабее, короче и более отклонен от истинного направления, чем в верхней части такелажа, поскольку на высоте истинный ветер сильнее. В данном примере истинный ветер сохраняет направление, но меняет скорость по высоте треугольного паруса из-за эффекта граничного слоя. При этом рост скорости истинного ветра вызывает не только изменение скорости вымпельного ветра, но и его угла.

Таким образом в яхтинге, вымпельный ветер закручивается от низа до верха такелажа, что является следствием изменения истинного ветра по высоте треугольного паруса при постоянной скорости движения лодки.

В то время, как в данном примере по высоте треугольного паруса меняется только скорость истинного ветра, в действительности она может меняться также и по направлению. В таких ситуациях для разных курсов движения лодки степень закручивания вымпельного ветра также будет изменяться.

Треугольные паруса в комбинации.

Работа каждого треугольного паруса самого по себе гораздо более проста, чем в комбинации передний парус-грот парусного вооружения шлюпа. Паруса работают настолько близко между собой, что оказывают существенное влияние друг на друга. Наиболее интересной особенностью совместной работы двух треугольных парусов является способность совместно производить большее двигающее усилие на лодку, чем сумма усилий, производимых каждым в отдельности.

Раньше восходящий поток определялся как увеличение угла потока непосредственно над крылом. Однако также существует соответствующее изменение угла так называемого нисходящего потока сразу позади крыла. Данный поток, сходя с крыла, отклоняется на угол, меньший, чем у исходного потока. Это является причиной хорошо известного под названием “испорченного ветра” (“badair”) эффекта, который испытывают оказавшиеся позади других идущие в бейдевинд лодки.

Грот в парусном вооружении шлюпа работает под воздействием нисходящего потока от носового треугольного паруса (стакселя или генуи), что существенно уменьшает угол воздушного потока, попадающего на грот, по сравнению с углом потока, падающим на геную. Это снижает толкающее усилие, производимое гротом.

Наблюдаемый эффект, известный под названием “отбор ветра”, частично является результатом нисходящего потока от генуи, а частично — влиянием повышенного давления на наветренной стороне носового треугольного паруса, когда он излишне близко установлен к передней части подветренной стороны грота. При этом мягкий материал грота выталкивается давлением в наветренную сторону, образуя продольную складку вдоль перестающей работать передней шкаторины грота.

Генуя в парусном вооружении шлюпа, напротив, работает в условиях восходящего потока от грота. Ветер в виде потока, направленного на переднюю шкаторину генуи, оказывается под влиянием восходящего потока от грота. Следовательно, носовой треугольный парус, помещенный перед гротом, получает больший угол потока, чем он мог бы иметь в отсутствие грота, что приводит к увеличению толкающего усилия, который производит, собственно, сама генуя. Таким образом, в то время как грот фактически испытывает неблагоприятное влияние со стороны носового треугольного паруса, то последний, наоборот, выигрывает от присутствия грота, получая более интенсивный поток на своей подветренной стороне. Скорость потока при этом увеличивается, давление снижается и толкающее усилие растет. Окончательным результатом является общее увеличение суммарного толкающего усилия от обоих за счет того, что рост эффективности работы генуи превышает потери, понесенные гротом.

Этот эффект яхтинга обратный тому, что происходит с лодкой в бейдевинде, когда она получает “испорченный ветер” (нисходящий поток) от лодок, идущих впереди с подветренной стороны. И наоборот, лодки, находящиеся под ветром впереди, получают дополнительный набегающий поток (“хороший ветер”) и оказываются в выигрыше по сравнению с расположенными на ветру и несколько позади лодками, создающими в результате эффект подъема ветра идущим впереди лодкам. Это тот же самый феномен яхтинга, который происходит с носовым треугольным парусом, когда он выигрывает от совместной работы с гротом в составе парусного вооружения шлюпа.

Другим следствием разницы в углах потока, которые треугольные паруса испытывают от взаимного присутствия, является необходимость подбирать грот под более острым углом к оси лодки, чем геную, которую часто достаточно оставлять в положении за бортом. Этот угол равен разнице углов восходящего потока на носовой треугольный парус и нисходящего потока с грота.

Стреловидность современного паруса как крыла.

Стреловидность паруса крыла определяется как угол между перпендикуляром к потоку и линией (называемой четверть хордной — “quarter chorde”), проводимой на расстоянии 25% от ширины хорды (расстояния между передней и задней шкаторинами) в направлении размаха крыла. Положение на расстоянии 25% от ширины хорды выбрано по причине того, что точка приложения ветровой нагрузки в сечении обычно и располагается приблизительно на таком расстоянии. Это вызвано тем, что наибольшее количество подъемной силы паруса крыла порождается в его передней части, поэтому положение четверть хордной линии в достаточно объективной форме характеризует стреловидность крыла .

READ  Cruisers yachts 42 cantius (2019-)

Стреловидность приводит к эффекту увеличения восходящего потока по мере перемещения от основания к концу паруса крыла. Поскольку крыло наклонено назад, то воздушный поток в удаленных сечениях испытывает дополнительное влияние от зон низкого давления в сечениях, расположенных ближе к основанию и смещенных вперед.

Нарастающее влияние дополнительного низкого давления заставляет набегающий поток все сильнее отклоняться вверх, постоянно усиливая тем самым восходящий поток по мере приближения к концу паруса крыла.

Работа современного паруса как крыла.

Поскольку ограничение, не позволяющее парусам как крыльям самолетов самим себя поддерживать, в значительной степени снято, например, за счет использования полно размерных лат или жестких материалов, то паруса развиваются в сторону достижения все большей эффективности. Это проявляется в том, что все больше паруса становятся похожими на крылья и все меньше — на треугольный парус. Анализ того, как парус работает в качестве крыла, будет полезным не только для современного паруса, похожего на крыло, но и для традиционного паруса, который выглядит, как обычный парус, но работает практически так же, как крыло.

Скорость движения потока на верхней поверхности крыла увеличивается как за счет угла восходящего потока, так и за счет большей кривизны верхней поверхности по сравнению с нижней. Когда движущаяся среда (воздух или вода) ускоряется, ее давление на прилегающую поверхность падает. Образовавшаяся разность давлений на верхней и нижней поверхностях крыла порождает направленную вверх подъемную силу.

Хождение с парусом на лодке в море при бейдевинде.

При всех рассмотренных сценариях, угол, под которым лодка способна идти в море против ветра (при бейдевинде), всегда будет предметом для обсуждения. Если угол атаки всего паруса уменьшается, то большая его часть может заполоскать или испытать отбор ветра, а лодка в море при этом будет мало продвигаться вперед из-за нехватки движущей силы. Это является следствием изначального ограничения, порожденного мягкостью паруса.

Тогда, чтобы паруса вновь наполнились, лодка может быть увалена, но это приведет к тому, что нагруженные паруса начнут излишне кренить лодку, делая такую ситуацию нежелательной (за исключением случаев, когда нужно избегать движения лодки в море прямо на волну). Компонент скорости лодки в направлении встречного ветра должен рассчитываться в процессе рассмотрения изменений гоночной ситуации. Закручивание или уплощение верхней части паруса в не мешает сохранять нижнюю часть паруса подобранной под эффективный угол атаки и продолжать производить нужную двигающую силу, что позволяет лодке в море идти под более острым углом к ветру.

Правильным решением в общем случае будет комбинация различных настроек, меняющаяся в зависимости от скорости ветра и морских условий. Оно зависит также от характеристик лодки, ее вооружения и доступных средств управления (и, возможно, даже от интервалов изменения скорости ветра, в течение которых удается быстрее и проще выполнять те или иные настройки).
Можно надеяться, что понимание смысла характеристик производительности парусов лодки и принципов управления ими, позволит яхтсмену, постоянно работая с парусами, добиваться наиболее эффективного двигающего усилия в нужном направлении в море.

Чудеса на виражах

С течением времени такелаж облегчался и совершенствовался; технологии XVIII—XIX вв.еков уже позволяли управлять воздушным шаром с помощью парусов. Впрочем, панацеей для воздухоплавателей это не стало. Вот, например, как изображает шведский писатель Пер Улоф Сундман полет парусного воздушного шара, на котором инженер Соломон Андре в 1897 году отправился к Северному полюсу: «Орел‘ начал вращаться вокруг своей оси, и парус вдруг очутился с наветренной стороны. Аэростат быстро пошел вниз. Паруса размещались так, чтобы тянуть шар вверх, — пока они находились под ветром. Но шар сделал пол-оборота, и паруса потянули его к воде. Стриндберг что-то крикнул, Андре переводил растерянный взгляд с гайдропов на шар. Убрать паруса было труднее, чем поднять. Не дожидаясь приказа, я полез на снасти выше стропового кольца. Через несколько секунд гондола ударилась о поверхность воды».

Но это было еще полбеды. Когда путешественникам удалось-таки вновь взмыть в воздух, оказалось, что слишком высокий полет на парусах так же опасен, как и слишком низкий: «…Через четверть часа мы вышли из облака на солнцепек. Шар реагировал почти молниеносно. Водород расширился, подъемная сила возросла, гайдропы оторвались от воды и перестали тормозить, наша скорость сравнялась со скоростью ветра, и на борту снова воцарились штиль и полная тишина, парус и флаги повисли…»

Технологии
Построены и забыты: история монорельсовых дорог


«Орел», (Швеция, 1897). В 1897 году шведский инженер и естествоиспытатель Соломон Андре отправился к Северному полюсу на воздушном шаре «Орел», оснащенном парусами для создания толкающей силы. Экспедиция была широко разрекламирована, были выпущены даже игры с фишками по ее тематике (на фото), но на острове Белый недалеко от Шпицбергена экспедиция потерпела крушение. Андре погиб.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: