О перспективах использования паруса на грузовых судах

Яхты и окружающая среда
Следующая статья

Как измерить комфорт на яхте

Предыдущая статья

Come Back. Новый набор

Может ли примененное на яхтах Maltese Falcon и Black Pearl парусное вооружение быть использовано на грузовых судах и сделать коммерческий флот более экологичным?

Изменить мир к лучшему, не ставя перед собой сверхзадач, почти невозможно. Это касается не только ученых или новаторов, но и тех, кто задается целью построить себе суперяхту. Зачастую огромные инвестиции в мечту заканчиваются лишь удовлетворением собственного эго, и это своего рода концептуальный тупик для владельца. Но есть и те, кто строит себе не столько машину для удовольствий, сколько экспериментальную модель, прототип для отработки технологий, способных повлиять на будущее.

К их числу относятся и заказчики незаурядных суперяхт Maltese Falcon и Black Pearl. Обладая желанием и смелостью инвестировать в парусники с вооружением DynaRig, они стали важной частью процесса возвращения паруса на грузовые суда, который пока находится в зачаточном состоянии, но постепенно набирает силу. Мы собрали мнения людей, непосредственно участвовавших в проектировании, строительстве и эксплуатации Maltese Falcon и Black Pearl, чтобы понять возможности DynaRig и перспективы связанных с этим новаций в коммерческом флоте.

Кен Фрейвох, дизайнер, основатель студии Ken Freivokh Design

Том Перкинс, заказчик Мaltese Falcon, хотел построить большую лодку для серьезных походов, и проработку возможных вариантов парусного вооружения поручили команде Dykstra Naval Architects. Они предложили концепцию, выдвинутую в 1960-х годах немецким инженером-гидравликом Вильгельмом Пролсом, которую тот рекомендовал во времена нефтяного эмбарго 1973−1974 годов. По его расчетам, на сухогруз длиной 160 м можно было установить до шести стальных мачт, но нефтяной кризис разрешился, и такое судно так и не было построено. Однако изыскания Пролса вошли в конструкцию DynaRig, которую Герард Дикстра презентовал Тому Перкинсу, и теперь Black Pearl перевела эту концепцию на новый уровень.

Что отличает DynaRig от других типов парусного вооружения? Прежде всего, это легко масштабируемая система: ходить на шлюпе или кече длиной свыше 60−70 метров уже очень сложно, а DynaRig можно спокойно использовать на гораздо более крупных судах. Обычные парусные яхты длиной около 70 метров вроде Mirabella V крайне редко можно увидеть под парусом, да и то только в оптимальных условиях, тогда как Maltese Falcon ходил и ходит под парусами в любых условиях, даже против ветра, и его недавняя победа в Perini Navi Cup еще раз это доказала. Мы изучали дизайн двухмачтовой 65-метровой яхты c DynaRig, и это, пожалуй, нижняя граница для такого типа парусного вооружения, что связано с конфигурацией, весом и габаритами мачт.

Доминирование нефти и других видов ископаемого топлива как основного источника энергии будет постепенно ослабевать, уступая место альтернативным источникам

C самого начала работы над проектом Black Pearl ее будущий владелец точно знал, что хочет построить самую экологичную суперяхту в мире, и сам, будучи инженером, принял непосредственное участие в разработке дизайна и конструкции яхты. При длине 106,7 метра она стала самым крупным в мире парусником. Ее моторный отсек по высоте занимает одну палубу, а гибридная пропульсивная система позволяет генерировать энергию при движении под парусом за счет пассивного вращения винтов в набегающем потоке и запасать ее в аккумуляторных батареях высокой емкости. Валы с винтами регулируемого шага (ВРШ) сопряжены через редукторы с дизельными моторами и электродвигателями. Кроме того, в системе присутствуют три дизель-генератора и три блока литиево-ионных аккумуляторов.

В «парусном» режиме винты находятся во флюгерном положении (лопасти сложены), что снижает сопротивление и позволяет яхте развивать максимальную скорость более 25 узлов. В крейсерском режиме (скорость до 16 узлов) используется только энергия дизельных двигателей, а для бытовых нужд по электричеству применяют генераторы и батареи. В «тихом» режиме яхта движется на электромоторах за счет запасенной в аккумуляторах энергии на низких скоростях (до 10 узлов), что удобно во время маневрирования. Для обеспечения бытовых нужд в этом режиме возможно задействование генераторов, и тогда скорость может достигать 11 узлов. В «экономичном» крейсерском режиме главные дизели обеспечивают 11−15 узлов, а электромоторы генерируют энергию для бытовых нужд (в моменты пиковых нагрузок подключаются батареи). В «форсированном» режиме для пропульсии одновременно используются дизели и электромоторы (максимальная скорость 17 узлов), а генераторы покрывают бытовые нужды и питают электромоторы. В режиме «регенерации» яхта движется под парусами, валы вращаются за счет набегающего потока, а электромоторы работают как генераторы, обеспечивая судно электричеством.

Четырехлопастные винты диаметром 2,2 метра спроектированы компанией Hundested в первую очередь для обеспечения максимального КПД на экономическом ходу, поэтому их характеристики не оптимальны для регенерации. Частота вращения ненагруженных валов (режим авторотации) ниже, чем в случае работающих двигателей при той же скорости судна, а вектор тяги снижается и меняется на противоположный, что позволяет генерировать электроэнергию. При этом регулировка вырабатываемого тока осуществляется изменением шага гребного винта.

В первые месяцы плавания на яхте проводился мониторинг ряда связанных с генерацией энергии параметров, и было выявлено, что среднее падение скорости в этом режиме составляет 1,5 узла, тогда как средняя выработка энергии находится на уровне 130 кВт (на одном валу) при 12 узлах. Сейчас интеграция системы контроля регенерации еще продолжается, но уже очевидно, что эмпирические данные близки и даже превосходят расчетные значения. Как только исследование завершится и система достигнет полного потенциала, яхта совершит переход через Атлантику в режиме нулевого потребления топлива.

Эви де Майер, менеджер по инновациям Oceanco
Крис Гартнер, капитан Black Pearl (в прошлом — капитан Maltese Falcon)

Я принимал участие в строительстве Maltese Falcon и прошел на ней 120 тысяч миль. Кроме того, во время первого путешествия Black Pearl мы преодолели 5500 миль (половину из них — под парусом), поэтому очень хорошо представляю, как работает этот тип парусного вооружения, что он может, а что нет. Бегучий такелаж DynaRig прост в управлении и требует минимального экипажа: паруса поднимаются за семь минут, и главное — быстро рифятся. На такой яхте просто и безопасно выполнять повороты оверштаг и фордевинд: с этим справляется один человек в рубке или на палубе. Такие паруса можно использовать при слабом и сильном ветрах, с двигателем и без — это универсальная проверенная система.

При использовании DynaRig не нужно увеличивать экипаж, поскольку от палубных матросов не требуется ничего особенного. Да, у такелажа есть движущиеся части, которые могут кого-то смутить, но мы на опыте доказали, что они безотказно работают без каких-либо постоянных затрат. Электрические лебедки с гидравлическим редуктором, «вытягивающие» паруса, достаточно надежны. Конечно, случиться может всякое, но если паруса поставлены неправильно или плохо скручены, компьютер тут же выдает предупреждение. В отличие от Maltese Falcon, на Black Pearl для поворота мачт используются электромоторы, а не гидравлика, что позволяет поворачивать их за 44 секунды, то есть в два раза быстрее. Можете себе представить, насколько лучше управляется Black Pearl и насколько быстрее она может идти!

Между этими двумя яхтами 12 лет, и за это время многие узлы стали компактнее и надежнее. Однажды у побережья Португалии нам удалось развить под парусом 20,2 узла без использования двигателей, и это был один из лучших переходов в моей жизни. Но еще более важно, что когда мы шли обратно из Пальмы при скорости истинного ветра 12 узлов, яхта вместимостью почти 2800 рег. т шла в среднем на шести узлах на протяжении суток, и мы включали генератор только для бытовых нужд.

Все это возможно со стандартным, общедоступным оборудованием, поэтому DynaRig вполне подходит для использования на коммерческих судах. В былые времена Cutty Sark был грузовым клипером-рекордсменом, но сейчас наша задача не бить рекорды, а искать инновации, которые помогут сократить расход топлива и выброс парниковых газов в атмосферу. Морские грузоперевозки — огромный бизнес с низкой маржой, поэтому экономия на топливе здесь очень важна. Нам нужно двигаться вперед, и люди, на которых я работаю, готовы делать это.

Дерек Мунро, представитель владельца Black Pearl

Строительство Black Pearl заняло больше времени, чем ожидалось, поскольку было решено полностью подготовить яхту к использованию в будущем солнечной энергии. Мы потратили много времени (а владелец — денег!) на изучение возможности применения интегрированных в паруса и надстройку фотоэлементов. Поскольку КПД новых продуктов растет год от года, мы ждали до последнего. Кроме того, много времени и внимания было уделено потенциальному использованию водорода и системе регенерации энергии. Последняя превзошла наши ожидания на 30−40%: регенерация начинается с 10 узлов, развить которые для этой яхты не составляет проблемы. Если говорить о потере скорости при регенерации, то на одном валу мы теряем порядка 1,1 узла, а на двух — 1,8. В крейсерском режиме на 16−17 узлах для яхты такой длины этого совсем не чувствуется, а на 22 узлах потери составляют вообще всего пол-узла.

Сейчас возник серьезный вопрос: что делать с переизбытком энергии на скоростях свыше 25 узлов, как ее контролировать и куда направлять? Всю эту свободную энергию можно использовать для производства водорода, и мы уже обсуждаем с регистром Ллойда возможные способы его хранения. Мы верим, что сможем пересечь Атлантику по маршруту Гибралтар — Антигуа или Форт-Лодердейл без использования топлива в начале 2019 года, воспользовавшись благоприятными ветрами в январе-феврале, при этом вся электроэнергия для бытовых нужд будет генерироваться фотоэлементами и винтами. Наши исследования не закончены: мы продолжаем дорабатывать и настраивать системы совместно с Oceanco и подрядчиками верфи, поскольку технологии постоянно совершенствуются.

Владелец яхты уже несколько лет рассматривает возможность адаптации примененных на Black Pearl технологий для коммерческого флота, в первую очередь для судов, перевозящих автомобили. Строить подобные парусно-моторные грузовые суда может любая верфь, если у нее есть грамотные конструкторы и связи с поставщиками инновационных материалов, узлов и технологий. Просто кто-то должен поверить в такое будущее, как он поверил в Black Pearl, вложить средства и поменять мир, чтобы планета стала немного зеленее.

Система мониторинга нагрузок

Такие крупные парусные яхты с безвантовыми мачтами, как Maltese Falcon, A и Black Pearl, оснащены системой мониторинга нагрузок. Она в реальном времени выводит значения текущей нагрузки на мачты в процентах от допустимой, кренящий момент и соотношение между ними на ходовой мостик, где, анализируя эту информацию, шкипер принимает решения. В основе системы лежат оптоволоконные датчики FBG (Fiber Bragg Grating) для измерения деформаций, способные регистрировать растяжение и сжатие конструкций с помощью лазера. Они были разработаны для индустрии телекоммуникаций, а Maltese Falcon стала первой яхтой, где подобная система была установлена штатно (в 2000 году тесты проводились и на других крупных яхтах). В отличие от обычных приборов для измерения деформаций, датчики FBG не подвержены коррозии, усталости и смещению показаний. На сегодня это единственная на рынке система такого рода.

Без мониторинга нагрузки на мачты даже хорошо обученной команде остается полагаться исключительно на собственный опыт, что не всегда допустимо в случае суперяхт, где ошибка может привести к потере страховки и гарантии, к серьезным затратам и простою судна. Напротив, при наличии мониторинга производитель может продлить гарантию, если парусное вооружение эксплуатировалось в установленных пределах. Архивные данные могут помочь пролить свет на причину происшествий, если таковые имели место, а также облегчить моделирование будущих проектов. С 2006 по 2014 год на Maltese Falcon было получено 39 гигабайт таких данных, которые впоследствии помогли проектировать парусное вооружение Black Pearl. Компания Magma Structures установила на судне систему мониторинга с такой же архитектурой и основными компонентами, как на яхте А, и их главные различия касаются лишь программного обеспечения.

Досье Black Pearl

Досье:
Black Pearl

Длина:
106,70 м

Ширина:
15,00 м

Вместимость:
2864 рег. т

Материал корпуса и надстройки:
алюминиевый сплав

Площадь парусов:
2877 кв. м

Высота мачт:
68,50 м

Количество парусных секций:
15

Площадь парусов на каждой мачте:
959 кв. м

Максимальная длина реев:
23,50 м

Двигатели:
2 × MTU 12V 2000 M72 (1450 л.с.)

Максимальная скорость:
25 узлов

Пассажиры:
12 чел.

Дизайн Ken:
Ken Freivokh/Dykstra Naval Architects/BMT Nigel Gee/Nuvolari Lenard Design/Oceanco

Робби Дойл, инженер, основатель Doyle Sailmakers и Doyle CFD

Нагрузки на паруса научились прогнозировать уже давно, и сегодня «мощность» парусов и действующие на них силы можно рассчитать с использованием инструментов вычислительной гидрогазодинамики (CFD), метода конечных элементов (FEA) и моделирования взаимодействия газа с конструкцией (FSI). Мой сын для своей кандидатской диссертации анализировал возможности повышения КПД парусного вооружения Maltese Falcon, и Том Перкинс поддерживал его исследования.

Мне пришлось долго спорить с Герардом Дикстрой и Томом Перкинсом, уговаривая их использовать для парусов относительно недорогой материал дакрон, ведь нагрузки на секции DynaRig сравнительно невелики (3,5−4 кг/см2 при скорости ветра 50 узлов), поэтому при высокой стоимости самих мачт можно достичь существенной экономии на парусах.

Однако, как всегда, дьявол кроется в деталях, и, создавая Maltese Falcon, мы догадывались о том, сколько всего мы еще не знаем!

В XV веке в Китае строили многомачтовые суда длиной 137 м с прямоугольными парусами, напоминающими DynaRig, а лучшие клиперы XVIII века проходили более 400 миль в сутки — и это до изобретения антифоулинговых покрытий. Сегодня наглядно прослеживается тенденция увеличения площади парусного вооружения на суперяхтах благодаря прогрессу систем управления парусами, и накопленный опыт, несомненно, поможет в адаптации парусов для современных грузовых судов.

Коммерческое судоходство производит 4% всех вызывающих изменение климата выбросов, в частности углекислого газа. Всего 16 самых крупных судов в мире, работающих на дешевом бункерном топливе, выбрасывают в атмосферу столько же соединений серы, сколько все автомобили мира. Ужесточение законов может ограничить использование флотского мазута, что удорожит эксплуатацию грузовых судов. Существующие технологии могут сделать парусно-моторные суда такими же быстрыми, как обычные, а нам нужно придумать, как повысить их экономическую привлекательность.

Яхта, А при длине 143 метров и водоизмещении 12  700 тонн хотя и является парусно-моторным судном, развивает под парусами 15,2 узла, что очень много в пересчете на лошадиные силы. Так почему бы не ставить на крупные грузовые суда, скажем, по четыре мачты DynaRig вдоль каждого борта, и делать это так, чтобы они были частью конструкции и могли использоваться в качестве кранов? На мой взгляд, в будущем основная сложность в разработке парусно-моторных судов будет связана вовсе не с парусами, а с тем, как они будут выглядеть ниже ватерлинии. Возможно, на каждую мачту будет приходиться по подводному крылу (может, даже подъемному), которые смогут перераспределять нагрузку, а также использоваться для маневрирования.

Герард Дикстра, конструктор, основатель Dykstra Naval Architects

Многие из представленных сегодня дизайнерских концепций были хорошо известны в прошлом, но с появлением персональных компьютеров появилась возможность их развития. Начиная с 2000 года, благодаря внедрению углепластика и других высокотехнологичных материалов, стало возможным использовать такие типы парусного вооружения, как DynaRig и AeroRig. Maltese Falcon ходит уже 12 лет без единого инцидента: мачты ни разу не снимали, с парусами не было никаких происшествий. Идея проводки судов выгоднейшими путями с учетом погоды (WAS) тоже не нова: это делали полвека назад, — но в случае парусно-моторных судов появляется гораздо больше вариантов построения маршрута. Современные системы мониторинга позволяют сотрудникам Magma Structures в реальном времени контролировать нагрузку на различные элементы мачт из своего офиса, и такие вещи сегодня становятся нормой.

Тис Никкельс, управляющий директор Dykstra Naval Architects

Мы начали конструировать парусники еще в 1980-х годах. Паруса — наша страсть, и сейчас самое время вновь обратить внимание на энергию ветра и сконцентрироваться на инновациях в этой сфере.

В пропульсивной системе Black Pearl присутствуют сопряженные с редукторами электромоторы, способные генерировать энергию от вращения винтов, когда яхта идет под парусами. Выработанное электричество запасается в аккумуляторных батареях для дальнейшего использования. Чтобы рассчитать наиболее эффективную конфигурацию DynaRig, нам пришлось провести немало тестов в опытовом бассейне и аэродинамической трубе, причем мы делали это для двух-, трех- и даже четырехмачтовой конфигурации. Разумеется, грузовые суда имеют иную конструкцию: для них необходимо оптимизировать обводы и минимизировать осадку (киль даже не рассматривается), но задача генерировать энергию во время движения не снимается.

DynaRig может работать в полностью автоматическом режиме и управляться удаленно. В современной реализации часть настроек такелажа задает человек, но это можно делать с командного пункта на берегу или автоматически, когда судно самостоятельно корректирует положение парусов в зависимости от текущих условий. Эксплуатация парусного вооружения DynaRig не сложнее обслуживания моторного отсека: и там и там есть двигатели, и если с ними возникает проблема на беспилотном судне, то на борт высылают команду профессионалов, которая ее устраняет.

Что касается потери трюмного пространства из-за установки мачт, то она зависит от типа судна и груза и не превышает нескольких процентов. Паруса лучше подходят для судов, перевозящих жидкие и сыпучие грузы, так как в случае с контейнерами необходимы краны, которые мешают мачтам, плюс контейнеровозы ходят на более высоких скоростях. А чем выше эксплуатационная скорость, тем меньше экономия топлива.

При использования парусов на грузовых судах необходимо оптимизировать их маршруты с учетом погодных условий, в первую очередь — ветра, как это делают гоночные яхты. В отличие от последних, на сухогрузах никто не запрещает идти под двигателями, поэтому возникает гораздо больше комбинаций для прокладки оптимального курса. Если ветер благоприятный, можно отключить дизели, поставить паруса и генерировать энергию.

Мы разрабатываем программное обеспечение для построения курса и в будущем планируем применять его для расчета экономии топлива парусно-моторных судов. Если для расчета маршрута из Европы в Америку взять погодные данные за 20 лет, то можно увидеть, что одни годы предпочтительнее для движения под парусом, чем другие, но в среднем возможно достичь весьма значительной экономии топлива. Экономия также зависит от максимальной разрешенной скорости грузового судна; чем она меньше, тем меньше топлива потребует: в среднем экономия составляет 30% на 12 узлах и до 50% — на более низких скоростях.

Альтернативные концепции использования энергии ветра в судоходстве:

EnergySail
Покрытые фотоэлементами жесткие прямоугольные поворотные панели выступают одновременно парусами и солнечными батареями

Sky Sail
Кайт для судна обеспечивает дополнительную тягу в условиях сильного попутного ветра и снижает расход топлива на 20%

Турбопарус
Движитель создан на основе ротора Флеттнера, использующего эффект Магнуса

Дата:

11.01.2019

Текст

Антон Черкасов-Нисман

Фото

Джаррад Ятес

Следующая статья

Как измерить комфорт на яхте

Предыдущая статья

Come Back. Новый набор

Новые материалы
Похожие статьи