В 1852 году к немецкому ученому Густаву Магнусу обратились артиллеристы, которые хотели понять, почему в полете вращающийся снаряд отклоняется от цели, да и вообще ведет себя довольно странно. Исследователь в ходе экспериментов обнаружил, что на вращающийся цилиндр, обдуваемый сбоку ветром, действует сила, перпендикулярная его направлению (это явление и стали называть эффектом Магнуса). Снаряд нарезного орудия – это, в сущности, и есть вращающийся цилиндр. Потому, когда ветер дул на него с одного бока, он поднимался и летел дальше, а когда дул с другой стороны, то терял высоту.

Физическую суть эффекта Магнуса прояснил профессор Геттингенского университета Л. Прандтль в начале ХХ столетия. Он рассудил, что на поверхности вращающегося цилиндра, обдуваемого воздушным потоком, с одной его стороны направление вращения совпадает с направлением потока, а с другой – ему противоположно. При этом воздух, коснувшийся поверхности цилиндра, образует так называемый пограничный слой, в котором, чем ближе к поверхности, тем меньше его скорость относительно этой поверхности. На самой же поверхности воздух относительно неподвижен, он как бы к ней прилипает. По мере поворота цилиндра «прилипший» к ней пограничный слой устремляется навстречу внешнему потоку, отрывается от поверхности цилиндра, и возникает давление, направленное перпендикулярно потоку, омывающему цилиндр.

На практике этот эффект был впервые использован в 1931 году, когда в Германии переоснастили небольшое грузовое судно «Букау». На его палубе появились два цилиндра высотою 15,6 и диаметром 2,8 м. Вращаясь, они, подобно парусам, гнали корабль по волнам, позволили ему даже переплыть Атлантику.

Даже при небольшом ветре 8 м/с на каждом цилиндре возникала сила тяги в 2300 кг. Цилиндры предварительно раскручивались электромоторами мощностью 18 л.с., получавшими энергию от дизельной электростанции. Под действием же ветра судно двигалось со скоростью 40 км/ч, развивая мощность около 700 л.с. Сравните: если то же судно двигать при помощи винтов, то понадобятся двигатели общей мощностью около 1000 кВт!

К сожалению, и суда с ротором Флеттнера, как и обычные парусники, зависели от прихотей ветра, а потому и были вытеснены теплоходами. Интерес к ним возродился в 70-е годы прошлого века в связи с ростом цен на топливо и повышением внимания к экологии. Так, знаменитый французский исследователь океана Ж.И. Кусто в 1980 году построил судно «Калипсо», оснащенное двумя роторными ветродвижителями. На каждом его роторе имелся щиток, направляющий поток воздуха. Изменяя его положение, можно было получать тягу в нужном направлении независимо от того, куда дует ветер. К сожалению, опыты с такими судами были прекращены после кончины ученого и более не возобновлялись.

Под жестким парусом

Первопроходцами в применении таких парусов стали японцы, которые в 1983 году оснастили парусами-крыльями небольшой сухогруз «Сеньо Маару» водоизмещением в 2100 т. А через год в море вышел балкер «Аква Сити» грузоподъемностью почти 40 тыс.т.

Правда, выигрыш от парусов общей площадью 350 кв. м получился не таким уж большим. Их применение позволило увеличить скорость на 0,5 узла, а мощность двигателя уменьшить с 5830 до 5566 л.с. Поэтому, несмотря на то, что парусные установки управлялись автоматически, с помощью компьютера, скорость поворота паруса составляла 0,2 об/с, раскрытие – 90 с, а на складывание парусов уходило две минуты, эксперименты с подобными парусниками прекратили. И вспомнили о них вновь, лишь когда опять-таки резко поднялись цены на нефть и нефтепродукты.

Судно под современным жестким парусом

Тут уж в ход пошла и идея изобретателя из МАИ Юрия Макарова. В конце 70-х годов ХХ века он предложил использовать сразу два крыла, скрепленные в виде буквы V и закрепленные на шарнире. Этот шарнир позволял поворачивать парус и «перекидывать» его с одного борта на другой так, чтобы тот всегда подставлялся ветру «нужной» стороной крыла.

Паруса на макете судна и в самом деле очень напоминают закрепленные на палубе планеры. Подобная схема помимо всего прочего позволяет снизить крен – давление ветра на верхнее крыло V-образного паруса частично компенсируется давлением на нижнее. Кроме этого, крен снижается и за счет того, что сам шарнир может перемещаться по направляющим, расположенным поперек судна. Во время шторма крыло за счет аэродинамических рулей, аналогичных хвостовому оперению самолета, устанавливается в нулевой угол атаки и флюгерный режим.

Группой Макарова были произведены расчеты для грузового судна водоизмещением 37 тыс. т и дедвейтом 23 000 т, с жесткими поворотными парусами-крыльями планерного типа. Выяснилось, что при ветре 7 м/с подобный корабль способен разогнаться до 16 узлов.

Разработка была запатентована, удостоена множества дипломов и медалей на международных салонах изобретений в Женеве и Брюсселе. Но дальше дело не пошло. Возможным объяснением тому является громоздкость и сложность всей схемы морских перевозок. Более или менее регулярные рейсы возможны лишь там, где есть постоянные ветра.

Когда парус – воздушный змей

После выхода судна в открытое море крыло извлекается наружу и заполняется гелием. Поднимаясь на высоту от 100 до 500 м оно попадает в зону действия более сильных, чем у поверхности океана, ветров. Напор ветра преобразуется в аэродинамическую силу, довольно существенно ускоряющую судно и позволяющую существенно (на 30 %) снизить затраты на топливо.

Следующий шаг сделал 33-летний инженер из Гамбурга Штефан Враге, возглавивший фирму «Скай сейлз ГМБХ & Ко. Кг». Изобретенный им «воздушный змей», разработка которого заняла более пяти лет, создан с использованием новейших технологий и материалов. А его конструкция защищена патентом.

Для крупных судов предусмотрены паруса-змеи площадью до 800 кв. метров. Такой змей опять-таки запускается с палубы судна на высоту от 100 до 300 м и управляется с помощью компьютера, который автоматически поддерживает оптимальный режим.

Естественно, все имеет свою цену. Самый маленький воздушный парус с блоком управления стоит свыше 150 тыс. евро. Однако за счет снижения расхода топлива он окупится уже через пять лет, поскольку, по оценке изобретателя, парус обеспечивает экономию топлива на 10—35 %, а иногда даже на все 50 %.

Первым клиентом фирмы Ш. Враге стало германское грузовое пароходство «Белуга шиллинг ГМБХ» (Бремен), которое заказало два паруса. За «Белугой» последовали заказы от других пароходств. Как отмечают эксперты, паруса идеально подходят для тихоходных танкеров и сухогрузов с максимальной скоростью до 15 узлов. Важную роль играет и район Мирового океана, по которому проходит маршрут. К примеру, трасса из Роттердама в Южную Америку считается наиболее предпочтительной – из-за постоянных и сильных ветров.

Под воздушным змеем-парусом

Говорят, в будущем применение парусов позволит совершить подлинную революцию в морских грузовых перевозках. До 2015 года фирма «Скай сейлз ГМБХ & К°. Кг» планирует оснастить парусами по меньшей мере 3,5 % мирового флота торговых судов, а также около 360 крупных океанских яхт. Сам Ш. Враге считает, что новая система может найти применение на 40 тыс. морских судов.