La célèbre série documentaire The Cousteau Team's Underwater Odyssey a été tournée par le grand océanographe français dans les années 1960-1970. Le navire principal de Cousteau a ensuite été converti du dragueur de mines britannique "Calypso". Mais dans l'un des films suivants - "Redécouverte du monde" - un autre navire est apparu, le yacht "Alcyone".
En y regardant, de nombreux téléspectateurs se sont posé la question: que sont ces étranges tuyaux installés sur le yacht?.. Peut-être sont-ils des tuyaux de chaudières ou de systèmes de propulsion?
Imaginez votre étonnement si vous découvrez que ce sont des VOILES … des turbosails …
Le fonds Cousteau a acquis le yacht "Alkion" en 1985, et ce navire était considéré non pas tant comme un navire de recherche, mais comme une base pour étudier l'efficacité des turbosails - le système de propulsion d'origine du navire. Et quand, 11 ans plus tard, le légendaire «Calypso» coula, «Alkiona» prit sa place de navire principal de l'expédition (d'ailleurs, aujourd'hui «Calypso» est élevé et est à moitié pillé dans le port de Concarneau).
En fait, le turbosail a été inventé par Cousteau. Ainsi que du matériel de plongée, une soucoupe sous-marine et de nombreux autres appareils pour explorer les profondeurs de la mer et la surface des océans. L'idée est née au début des années 1980 et était de créer le système de propulsion le plus écologique, mais en même temps pratique et moderne pour une sauvagine. L'utilisation de l'énergie éolienne semble être le domaine de recherche le plus prometteur. Mais voici la malchance: l'humanité a inventé une voile il y a plusieurs milliers d'années, et quoi de plus simple et de plus logique?
Bien sûr, Cousteau et sa compagnie ont compris qu'il était impossible de construire un navire propulsé exclusivement à la voile. Plus précisément, peut-être, mais ses performances de conduite seront très médiocres et dépendantes des caprices de la météo et de la direction du vent. Par conséquent, il était initialement prévu que la nouvelle "voile" ne soit qu'une force auxiliaire, applicable pour aider les moteurs diesel classiques. Dans le même temps, un turbosail réduirait considérablement la consommation de carburant diesel, et dans un vent fort, il pourrait devenir la seule propulsion du navire. Et le regard de l'équipe de recherche s'est tourné vers le passé - l'invention de l'ingénieur allemand Anton Flettner, le célèbre concepteur d'avions, qui a apporté une contribution significative à la construction navale.
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La voile turbo est un cylindre creux équipé d'une pompe spéciale. La pompe crée un vide d'un côté du turbosail, pompant de l'air dans la voile, l'air extérieur commence à circuler autour du turbosail à des vitesses différentes et le navire commence à se déplacer dans une direction perpendiculaire à la pression de l'air. Ceci est très similaire à la portance agissant sur une aile d'avion - la pression du bas de l'aile est plus grande et l'avion pousse vers le haut. La voile turbo permet au navire de se déplacer contre n'importe quel vent, tant qu'il y a assez de puissance de pompe. Il est utilisé comme système auxiliaire pour un moteur marin conventionnel. Deux turbosails installés sur le navire de l'équipe Cousteau "Alkion" ont permis d'économiser jusqu'à 50% de carburant.
Le rotor de Flettner et l'effet Magnus
Le 16 septembre 1922, Anton Flettner a reçu un brevet allemand pour le soi-disant navire rotatif. Et en octobre 1924, un navire rotatif expérimental Buckau quitta les stocks de la société de construction navale Friedrich Krupp à Kiel. Certes, la goélette n'a pas été construite à partir de zéro: avant l'installation des rotors de Flettner, c'était un voilier ordinaire.
L'idée de Flettner était d'utiliser le soi-disant effet Magnus, dont l'essence est la suivante: lorsqu'un flux d'air (ou liquide) circule autour d'un corps en rotation, une force est générée qui est perpendiculaire à la direction du flux et agit sur le corps. Le fait est qu'un objet en rotation crée un mouvement de vortex autour de lui-même. Du côté de l'objet, où la direction du vortex coïncide avec la direction du flux de liquide ou de gaz, la vitesse du milieu augmente, et du côté opposé, elle diminue. La différence de pression crée ainsi une force de cisaillement dirigée du côté où le sens de rotation et le sens d'écoulement sont opposés, vers le côté où ils coïncident.
"Le vent du Flettner est sur toutes les lèvres grâce à une propagande journalistique extraordinairement zélée", écrit Louis Prandtl dans son article sur le développement d'un ingénieur allemand.
Cet effet a été découvert en 1852 par le physicien berlinois Heinrich Magnus.
Effet Magnus
L'ingénieur aéronautique et inventeur allemand Anton Flettner (1885–1961) est entré dans l'histoire de la navigation comme un homme essayant de remplacer les voiles. Il a eu la chance de voyager longtemps sur un voilier à travers les océans Atlantique et Indien. De nombreuses voiles étaient posées sur les mâts des voiliers de cette époque. L'équipement de navigation était cher, complexe et aérodynamiquement peu efficace. Des dangers constants guettaient les marins qui, même en cas de tempête, devaient naviguer à une hauteur de 40 à 50 mètres.
Au cours du voyage, le jeune ingénieur a eu l'idée de remplacer les voiles, qui demandent plus d'efforts, par un dispositif plus simple mais efficace, dont la propulsion principale serait également le vent. En y réfléchissant, il a rappelé les expériences aérodynamiques menées par son compatriote physicien Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ils ont constaté que lorsqu'un cylindre tourne dans un flux d'air, une force transversale se produit avec une direction qui dépend du sens de rotation du cylindre (effet Magnus).
Une de ses expériences classiques ressemblait à ceci: «Un cylindre en laiton pouvait tourner entre deux points; la rotation rapide du cylindre était donnée, comme dans un sommet, par une corde. Le cylindre rotatif était placé dans un cadre qui, à son tour, pouvait facilement être tourné. Un fort jet d'air a été envoyé à ce système à l'aide d'une petite pompe centrifuge. Le cylindre déviait dans la direction perpendiculaire au courant d'air et à l'axe du cylindre, d'ailleurs, dans la direction à partir de laquelle les sens de rotation et le jet étaient les mêmes »(L. Prandtl« Magnus Effect and a Wind Ship », 1925).
A. Flettner a immédiatement pensé que les voiles pouvaient être remplacées par des cylindres rotatifs installés sur le navire.
Il s'avère que là où la surface du cylindre se déplace à contre-courant du flux d'air, la vitesse du vent diminue et la pression augmente. De l'autre côté du cylindre, le contraire est vrai: le débit d'air augmente et la pression diminue. Cette différence de pression des différents côtés du cylindre est la force motrice qui fait bouger le navire. C'est le principe de base de l'équipement rotatif qui utilise la force du vent pour déplacer le navire. Tout est très simple, mais seul A. Flettner "n'est pas passé", bien que l'effet Magnus soit connu depuis plus d'un demi-siècle.
Il a commencé à mettre en œuvre le plan en 1923 sur un lac près de Berlin. En fait, Flettner a fait une chose assez simple. Il a installé un cylindre-rotor en papier d'environ un mètre de hauteur et 15 cm de diamètre sur un bateau d'essai d'un mètre de long, et a adapté un mécanisme d'horloge pour le faire tourner. Et le bateau est parti.
Les capitaines de voiliers se moquaient des cylindres d'A. Flettner, avec lesquels il voulait remplacer les voiles. L'inventeur a réussi à intéresser les riches mécènes de l'art avec son invention. En 1924, au lieu de trois mâts, deux cylindres de rotor ont été installés sur la goélette de 54 mètres "Buckau". Ces cylindres étaient alimentés par un générateur diesel de 45 ch.
Les rotors du Bucau étaient alimentés par des moteurs électriques. En fait, il n'y avait aucune différence avec les expériences classiques de Magnus dans la conception. Sur le côté, où le rotor tournait contre le vent, une zone de pression accrue a été créée, sur le côté opposé, une zone de basse pression. La force résultante est ce qui a propulsé le navire. De plus, cette force était environ 50 fois supérieure à la force de la pression du vent sur un rotor stationnaire!
Cela a ouvert de grandes perspectives à Flettner. Entre autres, la surface du rotor et sa masse étaient plusieurs fois inférieures à la surface du gréement, ce qui donnerait une force motrice égale. Le rotor était beaucoup plus facile à contrôler et sa fabrication était assez bon marché. D'en haut, Flettner a recouvert les rotors avec des plans de plaque - cela a augmenté la force d'entraînement d'environ deux fois en raison de l'orientation correcte des flux d'air par rapport au rotor. La hauteur et le diamètre optimaux du rotor du «Bukau» ont été calculés en soufflant une maquette du futur navire dans une soufflerie.
Turbosail Cousteau - Pour 2011, Alkiona est le seul navire au monde à disposer d'un turbosail Cousteau. La mort du grand océanographe en 1997 a mis fin à la construction du second navire de ce type, le Calypso II, et d'autres constructeurs navals redoutent le design inhabituel …
Le rotor de Flettner s'est avéré excellent. Contrairement à un voilier ordinaire, un navire rotatif n'avait pratiquement pas peur des intempéries et des vents latéraux forts, il pouvait facilement naviguer en virages alternés à un angle de 25 ° par rapport au vent de face (pour une voile normale, la limite est d'environ 45 °). Deux rotors cylindriques (hauteur 13,1 m, diamètre 1,5 m) ont permis d'équilibrer parfaitement le navire - il s'est avéré plus stable que le voilier qu'était Bukau avant la restructuration. Les tests ont été effectués dans le calme, dans une tempête et avec une surcharge délibérée - et aucune lacune grave n'a été identifiée. Le plus avantageux pour le mouvement du navire était la direction du vent exactement perpendiculaire à l'axe du navire, et la direction du mouvement (vers l'avant ou vers l'arrière) était déterminée par le sens de rotation des rotors.
A la mi-février 1925, la goélette "Buckau", équipée de rotors Flettner au lieu de voiles, quitta Danzig (aujourd'hui Gdansk) pour l'Ecosse. Le temps était mauvais et la plupart des voiliers n'osaient pas quitter les ports. En mer du Nord, le Buckau a dû faire face sérieusement à des vents violents et à de grosses vagues, mais la goélette a moins talonné que les autres voiliers rencontrés.
Au cours de ce voyage, il n'a pas été nécessaire d'appeler les membres de l'équipage sur le pont pour changer de voiles selon la force ou la direction du vent. Un navigateur de la montre suffisait, qui, sans sortir de la timonerie, pouvait contrôler l'activité des rotors. Auparavant, l'équipage d'une goélette à trois mâts était composé d'au moins 20 marins, après sa conversion en navire rotatif, 10 personnes suffisaient.
La même année, le chantier naval jette les bases du deuxième navire rotatif - le puissant paquebot "Barbara", propulsé par trois rotors de 17 mètres. Dans le même temps, un petit moteur d'une capacité de seulement 35 ch suffisait pour chaque rotor. (à la vitesse de rotation maximale de chaque rotor 160 tr / min)! La poussée du rotor était équivalente à celle d'une hélice entraînée par une hélice couplée à un moteur diesel de navire conventionnel d'une capacité d'environ 1000 ch. Cependant, le navire avait également un moteur diesel: en plus des rotors, il mettait en mouvement une hélice (qui restait le seul dispositif de propulsion en cas de temps calme).
Des expériences prometteuses ont incité la compagnie maritime Rob. M. Sloman de Hambourg à construire le navire Barbara en 1926. Il était prévu à l'avance d'équiper les turbosails - les rotors de Flettner. Sur un navire de 90 m de long et 13 m de large, trois rotors d'une hauteur d'environ 17 m ont été montés.
Barbara transporte avec succès des fruits d'Italie à Hambourg depuis un certain temps, comme prévu. Environ 30 à 40% du temps du voyage, le navire naviguait en raison de la force du vent. Avec un vent de 4-6 points, "Barbara" a développé une vitesse de 13 nœuds.
Il était prévu de tester le navire rotatif lors de longs voyages dans l'océan Atlantique.
Mais à la fin des années 1920, la Grande Dépression a frappé. En 1929, la compagnie de charte a refusé de louer la Barbara plus loin et a été vendue. Le nouveau propriétaire a retiré les rotors et a converti le navire selon le schéma traditionnel. Pourtant, le rotor était inférieur aux hélices à vis en combinaison avec une centrale diesel conventionnelle en raison de sa dépendance au vent et de certaines limitations de puissance et de vitesse. Flettner s'est tourné vers une exploration plus prometteuse et Baden-Baden a finalement coulé lors d'une tempête dans les Caraïbes en 1931.
Et ils ont longtemps oublié les voiles rotatives …
Le début des vaisseaux rotatifs, semble-t-il, a été assez réussi, mais ils n'ont pas été développés et ont été oubliés pendant longtemps. Pourquoi? Premièrement, le «père» des navires rotatifs A. Flettner s'est lancé dans la création d'hélicoptères et a cessé de s'intéresser au transport maritime. Deuxièmement, malgré tous leurs avantages, les navires rotatifs sont restés des voiliers avec leurs inconvénients inhérents, dont le principal est la dépendance au vent.
Les rotors de Flettner se sont de nouveau intéressés aux années 80 du XXe siècle, lorsque les scientifiques ont commencé à proposer diverses mesures pour atténuer le réchauffement climatique, réduire la pollution et une utilisation plus rationnelle du carburant. L'explorateur français Jacques-Yves Cousteau (1910-1997) est l'un des premiers à s'en souvenir. Pour tester le fonctionnement du système de turbosail et réduire la consommation de carburant, le catamaran à deux mâts «Alcyone» (Alcyone est la fille du dieu des vents Aeolus) a été transformé en navire rotatif. Embarqué en 1985, il voyage au Canada et en Amérique, contourne le Cap Horn, contourne l'Australie et l'Indonésie, Madagascar et l'Afrique du Sud. Il a été transféré en mer Caspienne, où il a navigué pendant trois mois, faisant diverses études. Alcyone utilise toujours deux systèmes de propulsion différents - deux moteurs diesel et deux turbosails.
Voile turbo Cousteau
Les voiliers ont été construits tout au long du 20e siècle. Dans les navires modernes de ce type, l'armement de voile est plié à l'aide de moteurs électriques; de nouveaux matériaux permettent d'alléger considérablement la structure. Mais un voilier est un voilier, et l'idée d'utiliser l'énergie éolienne d'une manière radicalement nouvelle est dans l'air depuis l'époque de Flettner. Et elle a été reprise par l'infatigable aventurier et explorateur Jacques-Yves Cousteau.
Le 23 décembre 1986, après le lancement de l'Alcyone, mentionné au début de l'article, Cousteau et ses collègues Lucien Malavar et Bertrand Charier ont reçu le brevet commun n ° US4630997 pour «un dispositif qui crée de la force par l'utilisation d'un liquide ou d'un gaz en mouvement». La description générale est la suivante: «Le dispositif est placé dans un environnement se déplaçant dans une certaine direction; cela crée une force agissant dans une direction perpendiculaire à la première. Le dispositif évite l'utilisation de voiles massives dans lesquelles la force motrice est proportionnelle à la surface de la voile. Quelle est la différence entre le turbosail de Cousteau et la voile rotative de Flettner?
En coupe transversale, un turbosail est quelque chose comme une goutte allongée arrondie à partir de l'extrémité pointue. Sur les côtés de la «goutte», il y a des grilles d'admission d'air, à travers l'une desquelles (selon la nécessité d'avancer ou de reculer) l'air est aspiré. Pour une aspiration du vent la plus efficace dans la prise d'air, un petit ventilateur entraîné par un moteur électrique est installé sur la voile turbo.
Il augmente artificiellement la vitesse du mouvement de l'air du côté sous le vent de la voile, aspirant le flux d'air au moment de sa séparation du plan de la turbo-voile. Cela crée un vide sur un côté du turbosail tout en empêchant la formation de tourbillons turbulents. Et puis l'effet Magnus agit: raréfaction d'un côté, par conséquent - une force transversale capable de mettre le navire en mouvement. En fait, un turbosail est une aile d'aéronef positionnée verticalement, au moins le principe de création d'une force de propulsion est similaire au principe de création d'une portance d'avion. Pour s'assurer que le turbosail est toujours tourné au vent dans la direction la plus avantageuse, il est équipé de capteurs spéciaux et installé sur un plateau tournant. À propos, le brevet Cousteau implique que l'air peut être aspiré de l'intérieur du turbosail non seulement par un ventilateur, mais aussi, par exemple,pompe à air - ainsi Cousteau a fermé la porte pour les "inventeurs" ultérieurs.
En fait, pour la première fois, Cousteau a testé un prototype de turbosail sur le catamaran Moulin à Vent en 1981. La plus grande navigation réussie du catamaran a été un voyage de Tanger (Maroc) à New York sous la supervision d'un plus grand navire d'expédition.
Et en avril 1985, dans le port de La Rochelle, l'Alcyone, premier navire à part entière équipé de turbosails, est lancé. Maintenant, il est toujours en mouvement et est aujourd'hui le navire amiral (et, en fait, le seul grand navire) de la flottille Cousteau. Les voiles turbo ne sont pas le seul dispositif de propulsion, mais elles facilitent le couplage habituel de deux moteurs diesel et de plusieurs hélices (ce qui, en passant, réduit la consommation de carburant d'environ un tiers). Si le grand océanographe était vivant, il aurait probablement construit plusieurs autres navires similaires, mais l'enthousiasme de ses associés après le départ de Cousteau s'est sensiblement atténué.
Peu avant sa mort en 1997, Cousteau travaillait activement sur le projet du navire "Calypso II" avec un turbosail, mais ne réussit pas à le terminer. Selon les dernières données, à l'hiver 2011, "Alkiona" se trouvait dans le port de Caen et attendait une nouvelle expédition.
Flettner encore
Aujourd'hui, des tentatives sont faites pour relancer l'idée de Flettner et rendre les voiles rotatives courantes. Par exemple, la célèbre société hambourgeoise Blohm + Voss, après la crise pétrolière de 1973, a commencé le développement actif d'un pétrolier rotatif, mais en 1986, des facteurs économiques ont couvert ce projet. Ensuite, il y avait un certain nombre de modèles amateurs.
En 2007, des étudiants de l'Université de Flensburg ont construit un catamaran propulsé par une voile rotative (Uni-cat Flensburg).
En 2010, le troisième navire à voiles rotatives est apparu - le camion lourd E-Ship 1, construit pour Enercon, l'un des plus grands fabricants d'éoliennes au monde. Le 6 juillet 2010, le navire a été lancé pour la première fois et a effectué un court voyage d'Emden à Bremerhaven. Et en août, il a effectué son premier voyage de travail en Irlande avec une charge de neuf éoliennes. Le navire est équipé de quatre rotors Flettner et, bien sûr, d'un système de propulsion traditionnel en cas de calme et de puissance supplémentaire. Pourtant, les voiles rotatives ne servent que d'hélices auxiliaires: pour un camion de 130 mètres, leur puissance ne suffit pas à développer la bonne vitesse. Les moteurs sont neuf centrales électriques Mitsubishi, et les rotors sont entraînés par une turbine à vapeur Siemens,en utilisant l'énergie des gaz d'échappement. Les voiles rotatives économisent 30 à 40% de carburant à 16 nœuds.
Mais le turbosail de Cousteau est encore dans l'oubli: Alcyone est actuellement le seul navire pleine grandeur à disposer de ce type de propulsion. L'expérience des constructeurs navals allemands montrera s'il est judicieux de développer davantage le thème des voiles fonctionnant sous l'effet Magnus. L'essentiel est de trouver une justification économique à cela et de prouver son efficacité. Et là, vous voyez, tous les transports maritimes mondiaux passeront au principe qu'un scientifique allemand talentueux a décrit il y a plus de 150 ans.
Dans la mer du Nord en 2010, vous pouviez voir l'étrange navire "E-Ship 1". Sur son pont supérieur, il y a quatre hautes cheminées arrondies, mais la fumée n'en sort jamais. Ce sont les rotors dits Flettner, qui ont remplacé les voiles traditionnelles.
Le plus grand fabricant mondial d'éoliennes Enercon a lancé le 2 août 2010 au chantier naval Lindenau à Kiel, un navire rotatif de 130 mètres de large de 22 mètres, qui a ensuite été nommé «E-Ship 1». Ensuite, il a été testé avec succès dans les mers du Nord et de la Méditerranée et transporte actuellement des éoliennes d'Allemagne, où ils sont produits, vers d'autres pays européens. Il développe une vitesse de 17 nœuds (32 km / h), transporte simultanément plus de 9 mille tonnes de fret, son équipage est de 15 personnes.
La compagnie maritime de Singapour Wind Again, une technologie de réduction du carburant et des émissions, propose des rotors Flettner (pliables) spécialement conçus pour les pétroliers et les cargos. Ils réduiront la consommation de carburant de 30 à 40% et porteront leurs fruits dans 3 à 5 ans.
L'entreprise finlandaise de génie maritime Wartsila envisage déjà d'adapter ses turbosails sur les ferries de croisière. Cela est dû au désir de l'opérateur de ferry finlandais Viking Line de réduire la consommation de carburant et la pollution de l'environnement.
L'utilisation des rotors Flettner sur les bateaux de plaisance est étudiée par l'Université de Flensburg (Allemagne). La hausse des prix du pétrole et le réchauffement climatique alarmant semblent être des conditions favorables au retour des éoliennes.
Le yacht conçu par John Marples "Cloudia" est un trimaran reconstruit Searunner 34. Le yacht a été testé pour la première fois en février 2008 à Fort Pierce, Floride, USA, et sa création a été financée par Discovery Channel. "Claudia" s'est avérée incroyablement maniable: elle s'est arrêtée et a mis la marche arrière en quelques secondes, librement déplacée à un angle d'environ 15 ° par rapport au vent. Une amélioration notable des performances par rapport au rotor Flettner traditionnel est due aux disques transversaux supplémentaires montés sur les rotors des trimarans avant et arrière.
