XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание прототипа корабля с турбопарусом. Проект "Немиза"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Последнее время очень много происходит событий, связанных с переходом транспорта на источники движения, не связанные с углеродным топливом. Внедряются электромобили, гибриды. Часть машин переводится на газовое топливо, как более экологичное. Ведутся разработки водородных элементов для питания двигателей автомобилей.
Основные задачи, которые при этом ставятся – снизить потребление горючего и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.
В большинстве случаев эти вопросы касаются автомобилей, реже самолетов, но почему-то практически не обсуждается в отношении морских судов. А ведь именно такие суда имеют самые большие моторы, их много, и работают они на дизельном топливе.
В настоящее время ведутся разработки и строятся более экологические суда с применением возобновляемых источников энергии, в основном ветра. Суда с использованием энергии солнца в основном носят несерьёзный характер и создаются в единичных и небольших экземплярах.
Актуальность.
В 2010 году появился третий в истории корабль с роторными парусами - тяжелый грузовик «E-Ship 1» [1], 130-метровый грузовик с роторными парусами экономит до 40% топлива на скорости 16 узлов. (Приложение А. Рисунок 1).
19 апреля 2021 года в Китае на воду был спущен рудовоз «Sea Zhoushan» водоизмещением 325 тыс. тонн с системой из пяти роторных парусов (Приложение А. Рисунок 2)[4]. В настоящее время строится ещё несколько судов подобного типа.
Изложенная выше информация говорит о том, что использование парусов в современном кораблестроении не утратило свою актуальность. Паруса изменились, но суть в использовании ветра для превращения его энергии в механическую, осталась. И она используется.
Наш проект в данном случае имеет две цели:
1. Вспомнить одно из величайших на наш взгляд изобретений – турбопарус.
2. Воссоздать в виде прототипа корабль с турбопарусом и по возможности улучшить его.
Для достижения основной цели проекта мы поставили перед собой следующие задачи:
1. Провести исследование современных парусов.
2. Попытаться разобраться на чём основан эффект турбопаруса Ж.И. Кусто, принципы его работы.
3. Найти и оценить аналоги.
4. Проработать технические возможности и воссоздать турбопарусное судно.
5. Провести испытание на предмет возможности его использования.
6. Внести усовершенствования в конструкцию и управление с учетом современных технологий.
7. Сделать выводы.
Для решения поставленных задач мы разделили проект на несколько этапов.
Этап 1. Исследовательский.
Одним из создателей парусов нового типа был французский океанограф, фотограф, кинорежиссёр, изобретатель и прозаик Жак Ив Кусто. Среди его общеизвестных изобретений таких как акваланг и камера для подводных съемок, корабль «Алкиона», оснащенная двумя турбопарусами. «Алкиона» был спущен на воду в апреле 1985 года. И на сегодняшний день является единственным судном, оснащенным данными парусами.
Управление парусами и судном осуществлялось в ручном и автоматическом режимах. На корабле был установлен компьютер. «Алкиона» была оснащена двумя дизельными моторами.
Судно могло двигаться в трех режимах – на моторах, совместно моторы и паруса, и на парусах без моторов.
Оснащение и компьютерное управление делало «Алкиону» передовым судном для своего времени.
Сегодня, развитие микроэлектроники достигло таких высот, что управлять таким сложным судном может и микроконтроллер типа Ардуино-нано.
Идея создания турбопаруса основана на эффекте Магнуса (Приложение А. Рисунок 3) и образования подъемной силы крыла по закону Бернулли (Приложение А. Рисунок 4).
Эффект Магнуса - физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком газа. Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока.
Эффект достигает за счет разницы скоростей обтекаемых потоков воздуха и создания зоны повышенного давления там, где скорость потока меньше – закон Бернулли.
На основе эффекта Магнуса немецким инженером Антоном Флеттнером был создан и успешно испытан в 1924 году роторный парус. Особенностью разработки Флеттнера стало то, что он закрыл верх вращающейся трубы крышкой. Тем самым, удалось избежать турбулентных потоков внутри трубы и эффективность роторного паруса резко выросла. На сегодняшний день в эксплуатации находятся несколько крупных контейнеровозов, совмещающих роторные паруса Флеттнера с дизельными или газовыми двигателями. Это позволяет экономить около 15% топлива.
Особенностью турбопаруса Кусто является то, что в нем нет вращающейся трубы и он более активно использует закон Бернулли, в области аэродинамики. Кроме того, доработки Кусто позволяют усилить возникающие эффекты.
Что сделал Кусто:
1. Он убрал вращающийся цилиндр (Приложение А. Рисунок 6).
2. Придал парусу форму крыла. Но не просто крыла самолета, а форму яйца, тем самым создав две обтекаемые выпуклые поверхности.
3. Сзади в острой части находится подвижный «плавник». Поворачивая его в ту или иную сторону, он добился того, что она из поверхностей превращается в ровную и более короткую, соответственно возникает разница давлений и корабль приходит в движение.
4. Для усиления эффекта снижения давления он сделал отверстия в задней части, а сверху расположил вентилятор, создающий отрицательное давление в трубе и рядом с ней. Давление в длинной плоскости стало падать ещё больше, а эффект увеличился.
Экономия топлива составила 45%.
На изобретение был получен патент № US4630997 на «устройство, создающее силу посредством использования движущейся жидкости или газа»
Этап 2. Технический.
Проведя исследования и изучив особенности парусов Кусто, мы подготовили эскиз, составили перечень необходимых деталей для построения корабля и его управления.
Часть деталей была приобретена, часть изготовлена самостоятельно. Большинство деталей напечатано на 3D принтере. Модели разработаны в программе FreeCAD.
Корпус судна полый. Изготовлен из пеноплекса толщиной 20 мм. Покрыт грунтовкой, окрашен акриловой краской.
Для изменения положения парусов использованы 4 сервомотора. Для создания отрицательного давления внутри корпуса паруса 2 вентилятора D=30мм. Для компенсации бокового смещения установлены 2 герметичных электромотора от детской модели с питание 5В.
Управление всеми восемью моторами осуществляется с помощью микроконтроллера в формфакторе нано на платформе «Ардуино», установленном на плате «УМКИ К6_3».
Для отслеживания направления ветра установлен датчик «цифровой компас с магнитометром». Датчик ориентирован на Север и по изменению магнитного поля (установлен магнит) показывает угол положения магнита относительно него.
Программа написана на Ардуино IDE.
В ходе работы мы решили внести некоторые изменения в конструкцию корабля и парусов:
1. Мы изменили яйцеобразную форму паруса на каплевидную. Цель – увеличить разницу в путях потока воздуха.
2. Винты сместили кзади относительно схемы Кусто. Это должно упростить коррекцию курса (Приложение А. Рисунок 7).
Внешний вид прототипа представлен в Приложении А. Рисунок 8.
Этап 3. Испытательный.
На этом этапе мы провели испытание модели на суше и на воде. В качестве источника ветра использовался электрический насос для надувных изделий.
При испытании на суше эффект наблюдался, но был не стабильным. При испытании на воде, когда эффект Магнуса проявлялся, судно двигалось уверенно вперед с небольшим отклонением из-за высокой парусности самого судна. Эти отклонения можно легко компенсировать моторами.
Выводы из этапа:
1. Эффект Магнуса реально работает с парусами подобного типа.
2. Судно способно двигаться под парусами.
Этап 4. Принципы управления моделью.
Как работает система на нашей модели.
1. С помощью флюгера (датчик компаса) мы определяем направление ветра.
2. В зависимости от направления паруса с помощью сервомоторов устанавливаются на угол 90% к ветру.
3. Угловой закрыватель движется в сторону ветра, закрывая щелевое отверстие с одной стороны и открывая такое же с другой. Таким образом, путь воздушного потока укорачивается со стороны откуда дует ветер и удлиняется с другой.
4. После того, как угловой закрыватель сработал, включается мотор в верхней части паруса и создает отрицательное давление в трубе.
5. Если угол поворота паруса и направление ветра не оптимальны и корабль начинает уводить в сторону, мы можем легко компенсировать отклонения от курса с помощью электромоторов.
Выводы:
В своей модели мы не только показываем, как легко можно управлять парусами Кусто и использовать их для движения без излишних посредников.
Мы очень хотим, чтобы об этом гениальном изобретении вспомнили, и оно нашло своё применение. Сокращение на 45% расхода топлива и выбросов в атмосферу это просто великолепно.
В своем проекте мы не только воспроизводим модель парусника Кусто, но и предлагаем ряд изменений, которые на наш взгляд ещё могут улучшить характеристики парусов и судна.
1. Изменить форму с яйцеобразной на каплевидную. Это позволит ещё больше увеличить разницу в длине пути воздушного потока.
2. Разместить винты моторов сзади. Для лучшей компенсации отклонений носовой частью корабля.
3. Из перспективных направлений – вместо дизельных моторов использовать электрические или моторы на водородных элементах.
4. Покрыть паруса гибкими солнечными батареями. Это позволит иметь дополнительный источник электрической энергии и уменьшит выбросы.
В связи с тем, что в настоящий момент имеется натуральный, прекрасно работающий образец подобного судна, внедрение турбопарусов Кусто и оснащение ими судов можно начать прямо сейчас. Современные материалы, электронные компоненты и алгоритмы могут сделать данные паруса простыми, эффективными и дешевыми.
Используемые источники и литература:
1. Корабль под турбопарусами. URL: https://cont.ws/@all/637893/full (дата обращения 20.12.2022).
2. Первый в мире балкер VLOC с роторными парусами. URL: https://seanews.ru/2021/05/19/ru-pervyj-v-mire-balker-vloc-s-rotornymi-parusami/ (дата обращения 20.12.2022).
3. https://s.fishki.net/upload/users/2017/03/20/1214046/4e73da9f8002278cfcac
3957906755c9.jpg
4. https://seanews.ru/2021/05/19/ru-pervyj-v-mire-balker-vloc-s-rotornymi-parusami/
5. https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/0c16/001568d5-6e6a16a7/img10.jpg
6.https://cf2.pptonline.org/files2/slide/e/ESN9VDpHPLn1BfejOdqlcx7yJ0F2kmA3visot6/slide-11.jpg
7. https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/eb7/eb7a17f177828bab8601da9
ef6d272b9_fitted_800x3000.jpeg
8. https://proza.ru/pics/2020/06/10/1477.jpg
9. http://www.barque.ru/img/articles3/obschee_raspolozhenie_sudna_1.jpg
Приложение А.
Р исунок 1. Контейнеровоз с роторными парусами.
Рисунок 2. Рудовоз «Sea Zhoushan».
Рисунок 3. Эффект Магнуса.
Рисунок 4. Закон Бернулли.
Р исунок 5. Ветряной корабль Флэттнера.
Рисунок 6. Алкиона с турбопарусами.
Рисунок 7. Схема «Алкионы».
Рисунок 8. Внешний вид прототипа.