Парусник обгоняет ветер. С давних времен делались попытки увеличить скорость парусных судов, но в течение тысячелетий она оставалась ниже скорости движущего ветра. Однако ученые интуитивно полагали, что скорость ветра не является непреодолимым порогом для парусных судов. Практика буерного спорта показала, что при малом сопротивлении парусные наземные средства могут не только достигать, но и превышать скорость ветра. Естественно возникало предположение: если значительно снизить сопротивление судна в воде, оно «догонит» и «перегонит» ветер.
Еще 20 лет назад Ю. С. Крючковым теоретически было пока: вано, что при определенных условиях парусное судно может достичь и превзойти скорость движущего ветра, и найдено предельное значение для скоростей парусных судов и наземных парусных средств. Вскоре практика доказала справедливость этих теоретических исследований. В настоящее время рекордные Парусные катамараны достигли скоростей 30—32 уз или 1,5— 1.8 скорости ветра.
Представляет интерес анализ возможных путей достижения Указанных скоростей.
Рис. 1. Зависимость относительной скорости парусного судна от его аэродинамического и гидродинамического качества:
а — при курсовом угле а = 90; б — полярная диаграмма.
I — область современных судов; II — область перспективных судов.
Борьба за скорость. На рис. 1, а показаны результаты расчетов скоростей парусных судов (по отношению к скорости ветра),
Анализ графиков показывает, что при низком гидродинамическом качестве Кс относительная скорость почти не зависит от Кп. Очевидно, увеличение аэродинамического качества парусов в этом случае не дает заметного эффекта. Но для судов с высоким гидродинамическим качеством Кс увеличение аэродинамического качества Кп приводит к существенному росту скорости v/V. Таким образом, применение парусов и рангоута с высоким аэродинамическим качеством (например, полужесткий парус с мачтой-крылом, жесткий парус-крыло и т. п.) эффективно только для судов с высоким гидродинамическим качеством (гоночные катамараны, яхты на подводных крыльях, буера и т. д.). На сравнительно тихоходных однокорпусных водоизмещающих судах вполне приемлемо обычное, но усовершенствованное парусное вооружение.
Следовательно, главный рычаг для резкого увеличения скорости — повышение гидродинамического качества. Этот вывод подтверждается полностью развитием современных рекордных гоночных парусников.
Как видно из структуры величины Кс, комплексное гидродинамическое качество судна может быть увеличено в результате повышения «вертикального качества» DJR при неизменном значении водоизмещения это возможно только за счет уменьшения сопротивления (глиссирование, многокорпусные конструкции, подводные крылья), а также за счет увеличения фактора остойчивости l/ha (многокорпусные конструкции, снижение высоты парусности, наклон парусов или крыльев, применение подводных антикреновых крыльев и т. п.). Использование глиссирования, катамаранной конструкции, подводных крыльев позволили парусникам достичь скоростей, существенно превышающих скорость ветра. На рис. 2 показаны некоторые типы современных рекордных парусных судов, в которых реализуются указанные выше требования.
Именно применение комбинации решений, повышающих одновременно оба качества Кс и КП, и привело к резкому возрастанию скорости судов, приведенных на рис. 2.
На рис. 3 показаны интересные предложения инженера Ю. В. Макарова, позволяющие использовать готовые планерные конструкции в качестве движителей с высоким аэродинамическим качеством. При перемене галса производится «перекладка» крыльев относительно продольной оси; на каждом галсе одно крыло служит жестким парусом, а второе — антикреновым Устройством.
Каковы же предельные скорости парусных судов?
Выражение (4) позволяет оценить их. Назовем гидродинамически идеальным судно, обладающее абсолютной остойчивостью и абсолютной устойчивостью на курсе, у которого продольное сопротивление корпуса бесконечно мало, а боковое сопротивлений бесконечно велико. Таким образом, гилоолинамически идеальное
Рис. 2. Современные быстроходные и рекордные парусные суда:
а — глиссирующий «Трискаф» X. Баркла (проект); б «Пленсайл» Дж. Уокера; в — «Аэрогидрокрыло» Б. Смита (модель); г — проа «Кросбоу» — судно с «балансиром»,- установившее рекорд скорости 32 уз; д — катамаран на подводных крыльях.
Рис. 3. Планер в качестве паруса — идея инженера Ю, В, Макарова,
Рис. 4. Поляры скоростей судна с ветродвигателем.
Рис. 5. Сопоставление скоростей судов с парусом и с ветродвигателем.
1 — реальное судно с ветродвигателем; 2 — скорость ветре; 3 — идеальнее судно с ветродвигателем, q, 0; 4 — реальное парусное судно; 5 — идеальнее судно с парусом, q, = 0; 6 — предельный угол лавировки парусных судов.
Из рассмотрения рис. 5 вытекает целесообразность применения комбинированных ветроэнергетических установок, позволяющих использовать при разных курсах преимущества ветродвигателей и парусов.
На рис. 6 показана схема многокорпусного судна (катамарана или тримарана) с комбинированной ветроэнергетической установкой, разработанной ЛИСЭД НКИ. Установка состоит из жесткого полукольцевого паруса-крыла с высоким аэродинамическим качеством, которое обеспечивается большим удлинением крыла и шайбами на нижних кромках крыльев. Система крыльев имеет механизм установки необходимого угла атаки. Внутри контура, охватываемого полукольцевым крылом, по оси симметрии крыла размещен самоориентирующийся по ветру крыльча-тый ветродвигатель с горизонтальной осью, для которого- жесткий парус служит габаритным ограждением для ветродвигателя во время его вращения.
При движении боковыми ветрами силу тяги создает жесткое полукольцевое крыло, а ветродвигатель застопорен, лопасти его установлены горизонтально и развернуты во флюгерное положение. В таком положении ветродвигатель практически не влияет на работу крыла.
В случае движения острыми курсовыми углами или прямо против ветра, когда парус не тянет, работает ветродвигатель самоориентируясь по кажущемуся ветру W, а полукольцевой жесткий парус устанавливается в плоскости вращения колеса и служит для него аэродинамической насадкой. Мощность от ветродвигателя через трансмиссию передается на гребной винт, вызывая движение судна.
При попутных ветрах полу-кольцевой жесткий парус в силу конструктивных условий (угол Установки его ограничен) создает малую тягу, поэтому движение судна осуществляется также с помощью ветродвигателя. Реверс производится греб-ньш винтом регулируемого шага
Рис. 6. Судно с комбинированной ветроэнергетической установкой (ЛИСЭД НКИ, Ю. С. Крючков, Ю. П. Синько):
а — при движении боковым ветром (работает крыло); б — при движении встречным и попутным ветрами (работает ветродвигатель). 1 — полукольцевой жесткий парус; 2 — ветродвигатель; 3 — трансмиссия и греб-
Рис. 7. Схемы транспортных судов водоизмещением 21 тыс. т с различными ветроэнергетическими установками:
а — «Динариг»; б -г парус-крыло, симметричный профиль; в — два крыла, изменяемый профиль; г — ветродвигатель; д — два ротора.
Таким образом, судно с предложенной комбинированной ветроэнергетической установкой может успешно двигаться всеми курсами относительно ветра, минуя «мертвые зоны», и более эффективно использовать энергию ветра.
Подведем некоторые итоги:
— судно с парусом имеет существенное преимущество на всех курсах, кроме, встречных и попутных; оно не может двигаться круче некоторого угла к ветру;
— судно с ветродвигателем имеет преимущество на встречных и попутных курсах; оно может двигаться любым острым курсом и прямо против ветра.
Однако, несмотря на указанные преимущества, ветродвигатель вряд ли станет главной энергетической установкой на судах-ветроходах. Большие динамические габариты, сложность уменьшения парусности при шторме и шквале, а главное сложность изготовления ветродвигателей большой мощности (свыше 735 кВт) — непреодолимые препятствия на пути создания ветро-ходов с ветродвигателями в качестве главных энергетических установок. Например, для судна водоизмещением 17 500 т при скорости 17,5 уз необходима буксировочная мощность около 6300 кВт. Какой должна быть ветроэнергетическая установка для этого судна, можно судить по тому, что при скорости ветра 16 м/с ветродвигатель с диаметром ветроколеса 50 м и £ = =0,37 развивает мощность всего только 1850 кВт. Чтобы двигать вперед упомянутое судно в заданных условиях и при КПД пропульсивной установки г) — 0,57, надо установить шесть таких ветродвигателей.
Рис. 8. Полярные диаграммы скоростей судов, показанных на рис. 7 (по Вагнеру—Пролсу, Шенцле).
В заключение приведем из работы сравнение судов-ветроходов о парусными судами.