Изобретение относится к судам, приводимым в движение ветром, у которых имеется по меньшей мере один листовой элемент, удерживаемый по меньшей мере одной вантой на корпусе судна, в частности на бортах. В особенности изобретение можно использовать на парусных судах, а также на судах другого типа либо самостоятельно, либо в комбинации с дополнительными известными приводами.
Ранее для приведения в движение судов и других транспортных средств, тоже использующих преимущество силы ветра, обычно применяли по меньшей мере один парус, изготовленный из текстильного материала и закрепленный по меньшей мере на одной мачте, а также на так называемых гиках или реях. Такие паруса располагают в соответствии с направлением ветра или с требуемым направлением движения, и они используют по меньшей мере одну составляющую силы ветра, которая, как правило, создает только одну часть общей силы ветра для создания поступательного движения.
Однако при такой конфигурации в зоне продольной оси, где установлена мачта (установлены мачты), также оказывают свое воздействие вращающие моменты, которые в большей или меньшей степени вызывают наклонное положение борта и корпуса судна относительно указанной продольной оси. Для эффективного противодействия такому явлению на парусных судах и парусных лодках в соответствии с размером площади парусности используются шверцы и экономичные килевые конструкции. Однако поскольку для этого имеются ограничения, оптимальное взаимное согласование направления движения и направления ветра возможно лишь до некоторой степени, и адекватное управление судном может осуществляться таким образом, что часто требуется противодействие неблагоприятным направлениям ветра, что, конечно же, приводит к увеличению продолжительности рейса в определенный пункт назначения.
При высоких скоростях ветра мачты представляют собой наиболее слабое место, и в случае их поломки парусные суда (по причине отсутствия поступательного движения вперед) почти неспособны маневрировать и подвергаются воздействию воды и суровых погодных условий, не оказывая какого-либо сопротивления. Такая ситуация представляет серьезную потенциальную опасность для команды корабля.
Во избежание указанной опасности, возникающей при высоких скоростях ветра, может появиться необходимость в сокращении парусной площади посредством закатывания парусов, чтобы уменьшить силы и вращающие моменты, действующие на мачты судна. В связи с этим, конечно, уменьшается скорость поступательного движения такого судна.
Поэтому целью данного изобретения является создание таких движимых ветром судов, посредством которых можно эффективнее использовать силу ветра для поступательного движения, а также уменьшить вращающие моменты относительно продольной оси, действующие на корпус судна.
В соответствии с изобретением, указанная цель достигается посредством признаков, приведенных в пункте 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты выполнения изобретения и его усовершенствования могут быть реализованы в соответствии с признаками, указанными в зависимых пунктах формулы.
В предложенном судне используется по меньшей мере один листовой элемент, который по форме схож с обычным парусом или с хорошо известным воздушным змеем и который предназначен для увеличения скорости поступательного движения судна, обусловленного действием силы ветра, а также для существенного уменьшения указанных ранее опрокидывающих моментов. Данный листовой элемент, который по возможности должен иметь небольшую массу, удерживается вблизи корпуса судна посредством по меньшей мере одной ванты, которая прикреплена к листовому элементу по меньшей мере в трех отстоящих друг от друга точках, что позволяет отклонять и выравнивать этот листовой элемент в вертикальном и горизонтальном направлениях для придания ему оптимального положения в соответствии с желаемым направлением движения и с учетом относительного направления ветра.
Этим можно добиться того, что управляя листовым элементом посредством вант, его можно вводить в ветровой поток и располагать в нем таким образом, что обеспечивается возможность его перемещения в вертикальном направлении вверх и вниз в слоях ветрового потока, имеющих более высокую скорость.
Такой элемент или элементы (если используется несколько листовых элементов, то предпочтительно чтобы они были соединены друг с другом) могут быть изготовлены из легкого листового материала. Предпочтительно использовать для указанных листовых элементов гибкие материалы, которые в этом случае деформируются под воздействием силы ветра и, следовательно, увеличивают коэффициент (EW) лобового сопротивления, так что составляющая силы, используемая для сообщения судну поступательного движения, также увеличивается.
Для увеличения устойчивости, а возможно, и высоты подъема листового элемента, на одном из них, а также на нескольких таких элементах могут быть выполнены и/или прикреплены к нему (ним) камеры для сжатого газа. Такая камера, расположенная на листовом элементе или вблизи него и содержащая сжатый газ, приводит к увеличению устойчивости этого элемента. Указанные камеры со сжатым газом также могут, подобно жестким рамным конструкциям, выполнять для листовых элементов поддерживающую функцию, обладая при этом меньшей массой. С помощью по меньшей мере одной указанной камеры для сжатого газа можно задавать форму листового элемента.
Камеры для сжатого газа могут быть снабжены патрубками и клапанами, с помощью которых газ можно вводить в эти камеры и выводить.
Особые преимущества дает заполнение указанных камер газом, плотность которого меньше плотности воздуха, в результате чего на листовые элементы будет действовать подъемная сила. Подходящими газами в этом случае являются, например, гелий и водород. При довольно большом объеме указанных камер и заполнении их достаточным количеством газа сравнительно малой плотности можно добиться того, что подъемная сила будет превышать силу тяжести листового элемента или по меньшей мере равняться ей. По возможности она также должна соразмерно превышать вес ванты (вант) или соразмерно равняться ему. В этом случае листовой элемент свободно плывет в атмосферном воздухе, что позволяет значительно проще управлять им и придавать ему нужное положение относительно преобладающего направления ветра. Вдобавок, таким образом предотвращается его падение на поверхность земли или воды и, следовательно, устраняется необходимость затратных действий для его повторного возвращения в поток ветра.
Кроме того, указанную камеру (камеры) для сжатого газа можно (подобно обычному привязному аэростату) заполнить газом с низкой плотностью и подвесить к ней листовой элемент. В случае применения плоского листового элемента, изготовленного из гибкого материала, предпочтительно использовать по меньшей мере две такие камеры, выполненные в виде привязного аэростата.
Камеры для сжатого газа также могут иметь отверстия, посредством которых они благодаря динамическому давлению ветрового потока могут наполняться воздухом, когда листовой элемент соответствующим образом ориентирован в этом потоке.
Для проведения упомянутого первоначального должного расположения указанных листовых элементов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях предпочтительно изменять длину каждой из используемых вант между листовым элементом и корпусом судна. В этом случае каждую ванту можно по отдельности удлинять и укорачивать. Также возможно для каждой пары вант, закрепленных на листовом элементе соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, проводить одновременно удлинение одной и укорочение другой ванты на одну и ту же величину в противоположных направлениях.
Посредством одновременного одинакового удлинения или укорочения всех вант листовой элемент можно ввести в ветровой поток или вывести из него.
Элементами, используемыми для изменения длины вант, могут быть, к примеру, барабаны, на которые можно наматывать ванты и с которых их можно сматывать. По конструкции такие барабаны могут представлять собой устройства, которые на морском жаргоне принято называть "лебедками".
Управление поступательным движением судна может осуществляться вручную посредством электромоторов и моторов с обратным ходом, при этом регулирование положения листового элемента путем укорочения и удлинения вант можно проводить с учетом измеряемого направления ветра, желаемого направления движения и/или с учетом сил растяжения, измеренных для отдельных вант электронным устройством управления.
Для устранения или по меньшей мере для уменьшения вращающих моментов (опрокидывающих моментов), действующих относительно продольной оси, в частности целесообразно изменять точку приложения силы от вант к корпусу судна с учетом направления ветра и направления движения судна. При наличии нескольких вант это применимо независимо от того, прикрепляются ли указанные ванты к корпусу судна поблизости друг от друга или имеется общая воображаемая точка приложения силы, определяемая векторами сил от указанных вант.
Здесь возможны различные решения.
Так, с одной стороны, возможно регулировать положение точки приложения силы от вант к корпусу судна посредством направляющей. В самом простом случае такой направляющей может быть обруч, расположенный перпендикулярно продольной оси корпуса судна, который направляет ванту (ванты) таким образом, что в зависимости от положения листового элемента относительно указанной продольной оси точка приложения силы будет автоматически перемещаться. Весьма предпочтительно, чтобы этот поперечный обруч был согнут таким образом, чтобы его выпуклый профиль был обращен вверх и в направлении передней части корпуса судна (направление обруча) и чтобы он проходил с наклоном вперед.
Такое решение можно дополнительно улучшить, если установить эту поперечную направляющую на двух других направляющих, расположенных параллельно продольной оси корпуса судна, и обеспечить возможность ее перемещения посредством этих направляющих вдоль продольной оси корпуса судна.
Другим вариантом изменения положения точки приложения силы от вант является ее эксцентрическое расположение на поворотном столе, который установлен с возможностью вращения вокруг оси, вертикально проходящей через его центр, так что указанная точка приложения силы может автоматически изменять свое положение относительно продольной оси корпуса судна вследствие эксцентричности своего расположения на указанном столе и благодаря вращающим моментам, оказывающим соответствующее воздействие. Данный способ изменения положения можно реализовать также автоматическим образом - с использованием соответствующего управляемого поворотного привода для поворотного стола.
Третий вариант изменения положения точки приложения силы от ванты (вант) заключается в использовании утлегаря, выполненного в виде рычага и имеющего на одной из своих сторон соединительное звено, посредством которого он прикрепляется, например, к корпусу судна в зоне продольной оси. Ванта (ванты) в свою очередь закрепляется (закрепляются) на некотором расстоянии от конца утлегаря, так что путем поворота этого утлегаря относительно указанного соединительного звена можно изменить положение точки приложения силы от ванты (вант) относительно продольной оси корпуса судна. В качестве указанного соединительного звена могут использоваться, например, шаровые шарниры и универсальные шарниры, а само соединительное звено может быть закреплено внутри направляющей, расположенной под прямым углом к продольной оси.
Положение точки приложения силы также можно изменять по отношению к так называемому боковому центру давления, и при желании изменять способом, который описан далее. Боковой центр давления соотносится с площадью зоны, связанной с проекцией центра инерции на продольную ось судна. Он может совпадать с серединной поперечной осью или располагаться рядом с ней, и поэтому его можно использовать в упрощенных методах в качестве базисной точки для точки приложения силы.
Посредством избирательного воздействия на положение точки приложения силы относительно бокового центра давления можно воздействовать на направление движения, т.е. на курс. Так, если точку приложения силы поместить впереди бокового центра давления, судно можно повернуть в направлении борта, закрытого от ветра, (т.е. в сторону подветренного борта), а если указанную точку поместить позади указанного центра давления, судно можно повернуть в направлении борта, обращенного к ветру (т.е. в сторону наветренного борта), причем положения точки в обоих случаях указаны в соответствии с направлением движения судна.
Воздействуя на положение точки приложения силы от листового элемента перпендикулярно его продольной оси и направлению движения судна, можно избирательно воздействовать на крен судна вплоть до полного его устранения. В определенных случаях, к примеру, можно получить даже отрицательный крен, если сместить точку приложения силы достаточно далеко в направлении борта, закрытого от ветра.
Вдобавок к уже упомянутым элементам для изменения эффективной длины ванты (вант) между точкой приложения силы и листовыми элементами можно разместить дополнительные отклоняющие шкивы. С одной стороны, отклонение вант можно осуществлять посредством этих отклоняющих шкивов, что является весьма эффективным во время изменения положения точки приложения силы. С другой стороны, указанные отклоняющие шкивы также можно перемещать, в результате чего можно обеспечить уникальное дополнительное изменение длины вант, причем сравнительно просто и без затраты каких-либо усилий.
В отношении листового элемента, имеющего вид паруса или воздушного змея и растянутого до плоского состояния (по возможности, с использованием указанных камер для сжатого газа), могут применяться самые различные геометрические формы, кроме того, можно осуществлять оптимизацию этих форм листовых элементов для каждого конкретного случая применения с учетом конструкции корпуса используемого судна.
Для достаточной маневренности листового элемента предпочтительно использовать по меньшей мере три ванты, выполненные с возможностью изменения своей эффективной длины независимо друг от друга и прикрепленные к корпусу судна и листовому элементу. Крепление вант к листовому элементу в этом случае осуществляется таким образом, что три точки крепления образуют вершины треугольника, в результате этого путем увеличения и уменьшения эффективной длины трех указанных вант листовой элемент можно перемещать как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях посредством действующей силы ветра, кроме того, имеется возможность изменять угол атаки относительно преобладающего направления ветра.
Еще предпочтительнее использовать четыре ванты, обеспечивающие связь между листовым элементом и корпусом судна. В данном случае четыре указанные ванты прикреплены к листовому элементу таким образом, что точки крепления по возможности образуют вершины квадрата, при этом две отдельные точки крепления находятся в общей горизонтальной плоскости, а две другие точки крепления - в вертикальной плоскости. Для маневрирования листовым элементом требуется соответственно по меньшей мере удлинять и укорачивать ванты. Однако ванты, точки крепления которых к листовому элементу находятся в одной плоскости, могут также удлиняться и укорачиваться на одинаковую величину, но в противоположных направлениях. Если будет выбран такой способ изменения длины, каждое требуемое при этом усилие можно соответствующим образом уменьшить, чтобы необходимые действия можно было легко выполнять вручную.
С применением данного изобретения килевые конструкции (ранее являющиеся обычными для судов), во-первых, можно уменьшить в размерах, а кроме того, даже заменить более экономичными шверцами, поскольку вращающие моменты, действующие относительно продольной оси, будут значительно меньше.
Также данное изобретение можно применять в аварийных ситуациях. Например, если у обычного парусного судна или лодки сломалась мачта, а на борту имеется предложенный ветровой движитель, то, используя его, можно быстро и просто обеспечить судну или лодке поступательное движение и маневренность.
Кроме того, предпочтительно, чтобы на корпусе судна имелся по меньшей мере один гидродинамически эффективный элемент, который также можно назвать термином "гидрокрыло". В этом случае такой элемент располагается на корпусе судна ниже ватерлинии и обеспечивает устойчивость судна во время поступательного движения.
Особенно предпочтительно, чтобы указанный гидродинамически эффективный элемент мог поворачиваться вокруг оси, вследствие чего можно было бы регулировать подъемную или опускающую силу, действующую на судно.
Указанные гидродинамически эффективные элементы должны быть расположены таким образом, чтобы на судно относительно его продольной оси действовали симметрично приложенные силы. Так, к примеру, два подобных элемента можно расположить на одном уровне на внешних сторонах судна.
Предпочтительно, чтобы угол поворота гидродинамически эффективных элементов можно было также регулировать в зависимости от скорости транспортного средства и/или силы натяжения листового элемента. Таким образом можно гарантировать, что корпус судна будет перемещаться по воде и в экстремальных ситуациях, в частности при внезапных шквальных порывах ветра. В данном случае угол поворота гидродинамически эффективных элементов можно регулировать посредством механического соединения за счет силы натяжения, действующей на ванты, или точки ее приложения.
Указанные элементы могут быть выполнены в форме крыла и располагаться либо горизонтально, либо под небольшим углом к горизонтальной плоскости.
На аэродинамические характеристики листового элемента можно влиять путем придания этому элементу объемной формы, что может быть достигнуто посредством вант, в том числе дополнительных. Кроме того, к листовому элементу могут быть прикреплены добавочные аэродинамически эффективные элементы. Эти аэродинамически эффективные элементы могут быть закреплены на листовом элементе с возможностью поворота и выполнены, например, в форме закрылка, так что они, находясь в положении более или менее близком к вертикальному, будут вызывать подъемные или боковые силы, действующие на листовой элемент и возникающие вследствие возросшего сопротивления потоку обдувающего ветра, в соответствии с установленным углом их поворота и расположением. Таким образом можно управлять положением листового элемента относительно корпуса судна и направления ветра. Регулирование угла поворота аэродинамически эффективных элементов можно осуществлять, например, посредством соответствующих тросов, идущих к корпусу судна.
Определенное преимущество может быть получено также, если на наружных краях листового элемента расположить элементы (крылышки) для срыва воздушного потока, которые могут улучшить аэродинамические свойства.
Во избежание опасных ситуаций могут использоваться дополнительные элементы защиты от перегрузки. Указанные элементы гарантируют следующее - когда сила растяжения, действующая на одну из вант, превысит заранее установленное максимальное значение, эта сила не может быть приложена к корпусу судна в полной мере. Возможность противодействия перегрузкам заключается в том, что ванты оснащены пружиной, амортизатором или устройством пружинной амортизации, причем рабочие характеристики пружины и амортизатора должны быть отрегулированы таким образом, чтобы соответствующее действие этой пружины или этого амортизатора становилось эффективным до момента превышения указанного порогового значения. К примеру, следует использовать пружину растяжения с дегрессивной пружинной характеристикой, так чтобы корреляционные силы растяжения такого элемента защиты от перегрузки можно было соответственно уменьшать.
В качестве альтернативных элементов защиты от перегрузки можно использовать скользящие муфты, установленные, к примеру, на лебедках, для того чтобы при необходимости изменять длину вант.
Еще одним преимущественным аспектом данного изобретения является то, что предложенное судно можно оснастить управляемым шверцем. Такой шверц можно перемещать назад и вперед в вертикальном направлении, вследствие чего можно регулировать эффективную площадь и тем самым полностью или по меньшей мере в значительной степени компенсировать крен указанного судна.
Указанный шверц также можно отклонять по отношению к продольной оси корпуса судна таким образом, чтобы он поддерживал работу обычного руля или полностью брал на себя его функцию. Кроме того, с таким шверцем можно идти круче к ветру (движение круче к ветру).
Для повышения безопасности к листовому элементу может быть прикреплена по меньшей мере одна сенсорная струна, отходящая от него к корпусу судна. Посредством прикосновения к этим сенсорным струнам можно воздействовать на поступательное движение судна, например резко уменьшать скорость этого движения путем изменения в течение очень короткого промежутка времени площади аэродинамически эффективной поверхности листового элемента, а также его формы. Предпочтительно, чтобы к наружным краям листового элемента были прикреплены две сенсорные струны.
Управление предложенным судном может быть облегчено различными способами, а при соответствующих затратах и полностью автоматизировано.
Так, числовые значения, полученные от различных датчиков, могут быть обработаны в электронной аппаратуре управления, посредством которой можно воздействовать по меньшей мере на положение листового элемента относительно желаемого направления движения судна и направления ветра.
Однако управление предложенным транспортным средством можно осуществлять и чисто механически сравнительно простым способом с применением имеющихся на корпусе судна коушных элементов для вант.
Посредством указанных коушных элементов, расположенных на корпусе судна между точкой крепления соответствующей ванты и листовым элементом, можно влиять на положение листового элемента. В самом простом случае коушный элемент для вант может представлять собой вертикально закрепленный на корпусе судна стержень, в который упирается ванта, смещающаяся в поперечном направлении во время соответствующих перемещений листового элемента, что приводит к относительному укорочению ванты и предотвращает дальнейшее перемещение листового элемента в нежелательном направлении.
Коушный элемент для вант также может быть выполнен в форме кольца, прикрепляемого к корпусу судна. Соответствующая ванта пропускается через указанное кольцо, что обеспечивает ограничение ее перемещения как в горизонтальном направлении (в обе стороны), так и в вертикальном (вверх).
Листовой элемент для предложенного судна может включать в себя по меньшей мере одну камеру для сжатого газа. Указанная камера может являться частью листового элемента или прикрепляться к нему. Данная камера должна быть выполнена с возможностью заполнения из накопительного газового резервуара, содержащего сжатый газ (предпочтительно гелий), через первую трубу, которая соответственно либо постоянно соединена с указанной камерой, либо может присоединяться к ней. В данном случае в камеру следует подавать определенный объем газа, достаточный для того, чтобы вызвать подъемную силу, которая действовала бы на весь листовой элемент и которая по своей величине была бы не меньше действующей на этот листовой элемент силы тяжести.
Соединение между накопителем сжатого газа, который может являться обычным газовым баллоном, и камерой для сжатого газа, расположенной на листовом элементе, может осуществляться посредством клапана и впоследствии разъединяться. Указанный клапан может быть расположен вблизи выпускного отверстия указанного накопителя, а также на первой трубе; его открытие и закрытие может производиться вручную самым простым способом.
Однако можно использовать и такой клапан, который в зависимости от внутреннего давления в камере для сжатого газа автоматически закрывается при достижении указанным давлением некоторого заранее установленного значения.
Для рециркуляции газа обратно из указанной камеры должна присутствовать по меньшей мере одна вторая труба, которая может проходить параллельно указанной первой трубе и которая также может быть присоединена к указанной по меньшей мере одной камере, причем эта вторая труба может идти во второй накопитель сжатого газа или ко второму отверстию уже упомянутого единственного накопителя, сообщающегося с указанной камерой для сжатого газа.
Однако вторую трубу необязательно присоединять непосредственно к камере для сжатого газа - ее можно присоединить и к первой трубе, при этом канал, проходящий к первой трубе, может быть обеспечен посредством так называемого тройника.
Вторая труба также может представлять собой байпас, присоединенный к первой трубе в обход указанного клапана, причем в этом случае газ, выходящий при рециркуляции из камеры для сжатого газа, должен подаваться в единственный накопитель сжатого газа.
Как правило, в тех случаях, когда газ при рециркуляции должен подаваться в тот же самый накопитель сжатого газа, что используется для заполнения камеры, на второй трубе может быть установлен компрессор, со стороны всасывания присоединенный к той части этой второй трубы, что идет к указанной камере, а со стороны нагнетания к той ее части, что сообщается с указанным накопителем.
Возможно применение самых различных и хорошо известных типов компрессоров, обеспечивающих со стороны нагнетания присутствие такого давления, которое позволяет осуществлять повторное заполнение накопителя рециркуляционным газом.
В самых простых случаях можно использовать компрессоры с ручным приводом, например ручные насосы или поршневые компрессоры.
Если используются два накопителя газа, то второй из них, в который при рециркуляции газ поступает из камеры для сжатого газа, может иметь другие размеры по сравнению с первым накопителем, так что рециркуляционный газ внутри него имеет сравнительно низкое давление. Компрессор в данном случае может быть исключен из линии.
Рециркуляционный газ, временно хранящийся во втором накопителе сжатого газа, можно подавать из этого второго накопителя в первый накопитель, а его давление можно повышать в любое время посредством соответствующего компрессора.
Ранее упомянутая первая труба может быть временно присоединена к камере для сжатого газа для того, чтобы наполнить эту камеру газом и осуществить рециркуляцию газа, причем в данном случае камера должна быть оснащена закрываемым соединительным патрубком.
Однако поскольку внутреннее давление в камере для сжатого газа довольно низкое, то возможно постоянное соединение данной камеры с первой трубой сравнительно небольшого размера, имеющей малый вес и достаточно большую длину, вследствие чего отсутствует необходимость отсоединения этой трубы от листового элемента во время поступательного движения судна.
Для удобства осуществления манипуляций первая труба должна быть изготовлена из гибкого материала, причем данное условие может распространяться и на другие случаи.
Первая труба, соединяющая между собой камеру для сжатого газа и накопитель сжатого газа, может также являться байпасной, идущей в обход компрессора, и тогда поток газа может пропускаться через эту первую трубу или через компрессор посредством по меньшей мере одного двухходового клапана. Вторая труба в этом случае может быть образована самим компрессором с его двумя каналами. Первая труба может быть пропущена через корпус компрессора.
Накопитель сжатого газа, используемый для наполнения по меньшей мере одной камеры для сжатого газа, до и во время процесса наполнения должен соответственно иметь внутреннее давление газа, превышающее требуемое внутреннее давление в указанной камере или равное ему.
Все компоненты, необходимые для подачи газа и его рециркуляции, могут переноситься предложенным судном, вследствие чего пополнение камер сжатым газом можно производить и при дальнейшем движении судна. Для этого необходимо, чтобы по меньшей мере один накопитель сжатого газа был закреплен на данном транспортном средстве, причем закреплен таким образом, чтобы его можно было снимать с транспортного средства и доставлять к специальной резервуарной установке для подзарядки газом.
Далее изобретение описано более подробно на примере конкретных вариантов его выполнения, где:
фиг.1 изображает вариант выполнения листового элемента, который можно использовать на предложенном судне;
фиг.2 изображает еще один вариант выполнения листового элемента, имеющего форму воздушного змея;
фиг.3 изображает вид сверху корпуса судна, а также предложенного ветрового движителя, соответствующего одному из вариантов данного изобретения;
фиг.3а в увеличенном масштабе изображает показанный на фиг.3 участок X;
фиг.3b изображает утлегарь, который может использоваться с вариантом выполнения изобретения, соответствующим фиг.3;
фиг.4 изображает вид сверху другого варианта выполнения изобретения, а также корпуса судна;
фиг.4а в увеличенном масштабе изображает показанный на фиг.4 участок Y;
фиг.4b изображает вариант выполнения элемента, подходящего для изменения длины вант;
фиг.5 изображает вид сверху варианта выполнения направляющих, расположенных на корпусе судна;
фиг.5а изображает поперечный разрез по линии А-А на фиг.5;
фиг.5b в увеличенном масштабе изображает показанный на фиг.5а участок Z;
фиг.6 изображает вид сверху еще одного варианта выполнения ветрового движителя;
фиг.7 изображает вид сверху корпуса судна с утлегарем, предназначенным для изменения положения точки приложения силы;
фиг.7а изображает вид спереди варианта выполнения изобретения, соответствующего фиг.7;
фиг.7b в увеличенном масштабе изображает показанные на фиг.7а участки W и W';
фиг.8 изображает вид сверху еще одного варианта выполнения ветрового движителя;
фиг.8а изображает вид сбоку варианта, показанного на фиг.8;
фиг.9 схематически изображает вариант выполнения ветрового движителя, установленного на парусной лодке;
фиг.10 схематически изображает корпус судна сверху;
фиг.11 изображает три варианта выполнения листовых элементов и их возможное расположение по отношению к ветру;
фиг.12 изображает три варианта формы листового элемента, приспособленной к силе ветра;
фиг.13 схематически изображает листовой элемент, имеющий аэродинамически эффективные элементы;
фиг.14 схематически в трех видах изображает коушный элемент для вант, расположенный на корпусе судна;
фиг.15 схематически изображает корпус судна, к которому при помощи ванты присоединен листовой элемент;
фиг.16 изображает вариант выполнения листового элемента, содержащего камеру для сжатого газа и соединительный патрубок;
фиг.17 схематически в виде диаграммы изображает структуру одного из вариантов выполнения предложенной системы подачи и рециркуляции газа;
фиг.18 изображает второй вариант выполнения предложенной системы подачи и рециркуляции газа;
фиг.19 изображает третий вариант выполнения предложенной системы подачи и рециркуляции газа;
фиг.20 изображает еще один вариант выполнения предложенной системы подачи и рециркуляции газа с двумя накопителями газа.
На фиг.1 и 2 показаны два возможных варианта выполнения листового элемента 1 соответственно в форме паруса и воздушного змея, которые можно использовать для предложенного ветрового движителя.
В показанном на фиг.1 варианте выполнения изобретения листовой элемент 1 прикреплен к корпусу 3 судна (на чертеже отсутствует) посредством четырех вант 2, длину каждой из которых можно изменять по отдельности для того, чтобы по возможности перемещать указанный элемент 1 в самых различных направлениях и выравнивать его в соответствии с желаемым направлением движения и текущим направлением ветра.
В этом варианте выполнения листовой элемент 1 изготовлен из гибкого материала, например из пленки и текстильной ткани, являющегося непроницаемым по меньшей мере для газа. Указанный листовой элемент 1, выполненный по меньшей мере двухслойным, герметично соединен по краям и ограничивает собой камеру 7 для сжатого газа, занимающую все его внутреннее пространство и заполняемую, например, гелием. Заполнение камеры 7 осуществляется с учетом ее объема и массы, а также с учетом массы листового элемента 1 и общей массы вант 1, причем заполнение происходит до тех пор, пока полученная подъемная сила не будет превышать соответствующую силу тяжести, вследствие чего листовой элемент 1 будет легко держаться в воздухе - так высоко, насколько позволяет длина вант 2.
Показанный листовой элемент 1 по своему контуру и геометрии поперечного сечения примерно соответствует обычному крылу самолета, в результате чего при воздействии на этот элемент 1 воздушного потока к статической подъемной силе добавляется подъемная сила, обусловленная динамикой. Путем правильной регулировки длин четырех вант 2 его можно выровнять относительно ветра таким образом, что будут обеспечены по возможности большое аэродинамическое сопротивление и большая эффективная площадь рабочей поверхности, которая при возможности может быть расположена против ветра.
Несмотря на то, что на чертеже изображены четыре ванты 2, можно использовать и большее их количество. Это может быть предпочтительным при большой площади поверхности листового элемента 1.
Вариант выполнения листового элемента 1, показанный на фиг.2, по своей конструкции похож на обычный воздушный змей и крепится непосредственно к корпусу 3 судна (также не показан) всего одной вантой 2. Начиная с узла 20, ванта 2 проходит тремя отдельными тросами, прикрепленными к крайним точкам указанного листового элемента 1 в форме воздушного змея. При этом сам листовой элемент 1 имеет рамную конструкцию 12, которая в предпочтительном случае может быть выполнена из легкого и прочного материала. Таким материалом может быть пластмасса, усиленная углеродными волокнами и имеющая форму трубки или стержня, поскольку такая форма позволяет укрепить текстильную ткань и сохранить ее форму.
Изменение относительной длины ванты (вант) 2 можно соответственно осуществлять различными способами, что объяснено более подробно на примерах при последующем описании других чертежей.
Так, на фиг.3, где схематически изображен вид сверху корпуса 3 судна, показан вариант использования четырех вант 2, эффективную длину каждой из которых, т.е. длину между корпусом 3 судна и листовым элементом 1 (не показан), можно изменять по отдельности посредством элементов 5. При соответствующем объяснении из фиг.3, 3а и 3b можно получить представление о нескольких вариантах изобретения.
Так, на корпусе 3 судна могут быть закреплены элементы 5, обычно представляющие собой барабаны, на которые можно наматывать и с которых можно сматывать соответствующие ванты 2. От барабанов 5 через отклоняющий шкив 6' (представленный в данном случае так называемым четырехшкивным блоком или двумя сдвоенными блоками) проведены четыре ванты 2, проходящие далее еще через четыре отклоняющих шкива 6 к отклоняющему элементу (который представляет собой реальную точку 4 приложения силы от вант 2 на корпусе 3 судна), а от него - к листовому элементу 1 (не показан).
В данном случае точку 4 приложения силы и листовой элемент 1 смещают по выбору путем укорочения и удлинения отдельных вант 1 посредством соответственно наматывания на барабаны 5 и сматывания с них.
Указанное смещение обеспечивается также посредством изменения положения сдвоенного блока 6', используемого в качестве отклоняющих шкивов для вант 2. Более ясное представление о том, как этого достичь, дает описание со ссылкой на фиг.3а и 3b.
Фиг.3а в увеличенном масштабе изображает показанный на фиг.3 участок X.
Здесь изображены несколько стрелок, относящиеся главным образом к системе 6' отклоняющих шкивов, которая в данном случае представляет собой четырехшкивный блок. Эти стрелки показывают варианты изменения положения точки 4 приложения силы. Таким образом, можно обеспечить смещение параллельно или перпендикулярно продольной оси корпуса 3 судна, а также смещение, соответствующее диаметру делительной окружности, как показано двойной стрелкой соответствующей формы. Последнее можно получить посредством расположения указанного устройства на поворотном столе 11, который может быть искривлен относительно симметрично проходящей оси вращения. В этом случае отклоняющая система 6' расположена на поворотном столе 11 эксцентрически, и при повороте этого стола она перемещается по окружности.
В другом варианте используются плечо рычага и утлегарь 10, который прикреплен к шарниру 16 на корпусе 3 судна и к которому в свою очередь прикреплена отклоняющая система 6', представляющая собой два двушкивных блока. Утлегарь 10 своим верхним концом может автоматически поворачиваться на шарнире (при желании его можно поворачивать и вручную, но тоже механически) вследствие отклонения листового элемента 1, так что точка отклонения вант 2, определяемая отклоняющей системой 6', смещается вместе с ней в соответствии с перемещением указанного утлегаря 10.
На днище корпуса 3 судна можно видеть - особенно наглядно на фиг.3а - надежно закрепленные рымы, к которым прикреплены четыре других отклоняющих шкива 6. Каждый из указанных шкивов 6 осуществляет дополнительное отклонение одной соответствующей ванты 2.
В показанном на фиг.4, 4а и 4b варианте устройства управления предложенным ветровым движителем также используются четыре ванты 2, проходящие к листовому элементу 1 и прикрепленные к нему, при этом форма листового элемента 1 может быть такой, как показана на фиг.1. Каждая отдельная ванта 2 проведена через свой отклоняющий шкив 6 к элементу 5, посредством которого можно изменять относительную длину этой ванты 2. Указанный элемент 5 может быть таким, как показан на фиг.4b, например он может представлять собой обычную лебедку, которая используется на парусных лодках и судах, и может содержать муфту свободного хода и тормозное приспособление. В альтернативном случае можно присоединить угловую рукоятку, с помощью которой соответствующую ванту можно наматывать на барабан и сматывать с него.
Точку 4 приложения силы от четырех вант к корпусу 3 судна можно изменять посредством отклоняющей системы, например системы шкивов, которую на морском жаргоне принято называть четырехшкивным блоком, причем изменение ее положения осуществляют путем изменения длины четырех вант 2 с учетом желаемого направления движения и текущего направления ветра.
Из увеличенного изображения участка Y, представленного на фиг.4а, видно, что на днище корпуса 3 судна закреплены рымы 13, предназначенные для удержания отклоняющих шкивов 6.
В вариантах выполнения изобретения, соответствующих фиг.5, 5а и 5b, используются направляющие 8 и 9, предназначенные для изменения положения точки 4 приложения силы относительно продольной и поперечной осей корпуса 3 судна.
Так, две продольные направляющие 9 установлены параллельно продольной оси корпуса 3 судна и расположены по краям указанного корпуса 3. На этих продольных направляющих 9 удерживается поперечная направляющая 8, установленная таким образом, что при необходимости ее можно перемещать по указанным направляющим 9 по всей длине корпуса 3 судна.
Также можно использовать только одну из указанных направляющих - 8 или 9.
На фиг.5а можно видеть поперечный разрез, выполненный по линии А-А. Ванты 2 (одна или несколько) подходят либо к отклоняющим шкивам 6, которые расположены на направляющем элементе 14, установленном с возможностью перемещения на поперечной направляющей 8, либо в непосредственной близости к указанному направляющему элементу 14 и на нем закрепляются, отклоняющие шкивы 6 в этом случае отсутствуют.
Как более наглядно видно на увеличенном виде Z разреза, представленном на фиг.5b, направляющий элемент 14 можно перемещать по поперечной направляющей 8 в обе стороны (показано двойной стрелкой), при этом он удерживается и перемещается на этой направляющей 8 за счет соответствия форм взаимодействующих частей. Посредством перемещения этого элемента 14 можно изменять положение точки 4 приложения силы в направлении, перпендикулярном продольной оси корпуса 3 судна. Если при этом поперечную направляющую 8 перемещать по продольной направляющей 9, то можно получить дополнительное изменение положения указанной точки 4.
В варианте выполнения, представленном на фиг.6 и относящемся к возможности изменения эффективной длины вант 2 между корпусом 3 судна и листовым элементом 1 (не показан), использован двойной рычаг 5, к каждому концу которого прикреплена ванта 2. Указанный двойной рычаг 5 может быть искривлен относительно оси 15 вращения таким образом, что в зависимости от угла искривления рычага 5 относительно оси вращения правая и левая ванты 2 будут либо удлиняться, либо укорачиваться. Каждая указанная ванта направляется к листовому элементу 1, проходя вокруг одного отклоняющего шкива 6, который может представлять собой сдвоенный блок. В данном случае система 6 отклоняющих шкивов представляет собой точку 4 приложения силы.
В варианте выполнения, представленном на фиг.7, 7а и 7b, для изменения положения точки 4 приложения силы от вант используется утлегарь 10, прикрепленный к корпусу 3 судна посредством шарнира 16.
В предпочтительном случае шарнир 16 является шаровым универсальным шарниром, посредством которого утлегарь 10 можно поворачивать в самых разных направлениях.
Ванты 2 прикреплены к тому концу утлегаря 10, который является противоположным по отношению к шарниру 16, при этом сам утлегарь 16 может иметь длину, при которой он выступает за корпус 3 судна даже в месте максимальной протяженности корпуса. Таким образом, опрокидывающий момент можно дополнительно уменьшить посредством более подходящих соотношений плеч рычагов.
Как показано на фиг.7а, утлегарю 10 можно придавать нужное положение и удерживать его в этом положении посредством по меньшей мере одной системы тросов в виде шкотов, как их принято называть на морском жаргоне. В предпочтительном случае используют две системы (этот вариант на чертеже не представлен).
На фиг.7b изображены показанные на фиг.7а участки W и W', которые иллюстрируют конфигурацию шарнира 16, его крепление на корпусе 3 судна, а также крепление вант 2 к утлегарю 10.
В варианте выполнения, показанном на фиг.8 и 8а и относящемся к возможности изменения длины вант 2, принципиально имеются два варианта изменения эффективной длины отдельных вант 2, причем указанные варианты могут быть реализованы как вместе, так и по отдельности.
Так, в данном случае, каждая из двух вант 2 намотана на барабан 5 как на «лебедку» и проведена через систему отклоняющих шкивов, содержащую по меньшей мере два отклоняющих шкива. Однако в показанном примере система включает в себя четыре отклоняющих шкива 6.
Как можно понять из показанного на фиг.8 вида сверху, по меньшей мере два шкива из отклоняющих шкивов 6 можно поступательно перемещать вперед и назад.
Как ясно следует из представленного на фиг.8а вида сбоку, эти отклоняющие шкивы 6 направляются с обеспечением соответствия форм взаимодействующих частей, при этом каждый из них имеет одну педаль 19, вместе с которой он удерживается на направляющей 18. Когда указанные педали 19 поступательно перемещают вперед или назад по направляющей 18, закрепленной на корпусе 3 судна, эффективная длина соответствующей ванты 2 адекватно укорачивается или удлиняется.
На фиг.9 изображена парусная лодка с бортом в виде корпуса 3 судна, имеющая шверц 21 и обычный руль 22. Четыре ванты 2 закреплены на корпусе 3 судна, а другим концом присоединены к листовому элементу 1 в виде паруса из текстильного материала. Вдоль краев этого листового парусообразного элемента 1 проходит опоясывающая камера 7 для сжатого газа, которая может состоять из разделенных отдельных камер с сжатым газом. Такая камера 7 действует на нежесткий листовой элемент 1 подобно каркасу и обеспечивает ему прочность. Как показано на чертеже, прочность можно дополнительно повысить посредством использования добавочных стержневых элементов, а также посредством соответствующей конструкции указанной камеры.
Длину четырех вант можно изменять самыми различными способами, например, при помощи одной из ранее описанных систем.
Фиг.10 иллюстрирует вариант выполнения корпуса 3 предложенного судна, показанного схематически и сверху. В данном случае заштрихованный участок, который может проходить по всей ширине корпуса 3 судна, а также выходить за его пределы, и который расположен в зоне нарисованной поперечной оси указанного корпуса 3, представляет собой поверхность, на которой посредством направляющих 8 и 9 можно позиционировать точку приложения силы (как показано на фиг.5а и 5b), чтобы свести к минимуму крен и обеспечить оптимальную скорость. Указанный участок может быть круглым, если используется поворотный стол или утлегарь 10.
Результаты, которые могут быть получены посредством соответствующего позиционирования точки приложения силы, указаны в общей части описания изобретения.
На фиг.11 показаны три варианта формы листовых элементов, при этом можно видеть их характерные поперечные сечения. В этих вариантах выполнения в основе конструкции листовых элементов 1 лежит форма известных крыльев самолета. Как показано на фиг.11, изготовленные таким образом листовые элементы 1 можно с помощью вант 2 (не изображены) располагать по отношению к потоку ветра таким образом, что на них будет действовать подъемная сила, которая создается этим ветром и которую можно использовать для поступательного движения судна. Посредством показанных на фиг.11 разных модификаций листовых элементов можно за счет изменения соотношений потоков получать разные движущие силы, действующие как сила растяжения в точке приложения силы.
Если используются листовые элементы 1 с такими формами, какие показаны на фиг.11, то кроме коэффициента Cd важным является и так называемый коэффициент Са (коэффициент подъемной силы профиля), причем в данных случаях только он должен быть большим, а коэффициент лобового сопротивления, следовательно, должен быть малым.
Изменяя профиль объемной формы листового элемента, можно влиять на положение указанного элемента, на его аэродинамические характеристики и, следовательно, на действующие силы, что сопровождается соответствующим изменением коэффициентов Са и Cd.
Во время движения судна на форму листовых элементов 1 также можно влиять посредством изменения внутреннего давления в камерах 7.
На фиг.12 изображены три других варианта выполнения листового элемента 1, относящиеся к возможности регулирования его формы путем изменения длины отдельных вант 2. Посредством этого регулирования можно учитывать силу ветра разной величины.
Так, форму, показанную сверху, можно использовать при малой и средней силе ветра, чтобы сохранять те аэродинамические соотношения параметров, посредством которых можно достичь максимальной скорости поступательного движения.
Устанавливая форму листового элемента 1 в соответствии со средней иллюстрацией, можно уменьшить движущую силу при большей силе ветра, а когда эта сила достигает очень большого значения (что имеет место при шквальных порывах ветра), разновидность формы листового элемента 1, показанная на нижней иллюстрации фиг.12, приводит к тому, что движущая сила уменьшается до нуля, и, следовательно, в точке приложения силы действует очень небольшая сила растяжения. Такое изменение формы можно выполнять и в других опасных ситуациях, например, посредством по меньшей мере одной сенсорной струны, уже упомянутой в общей части описания изобретения.
Фиг.13 схематически изображает листовой элемент 1, который имеет четыре аэродинамически эффективных элемента 32, установленные с возможностью поворота. Элементы 32 можно поворачивать по отдельности или вместе таким образом, что они будут действовать подобно закрылкам и горизонтальным стабилизаторам самолета для того, чтобы при установке определенного угла их поворота относительно поверхности этого листового элемента 1 обеспечивать выборочное перемещение листового элемента 1 в вертикальном и горизонтальном направлениях. К указанным элементам 32 можно прикрепить, например, соответствующие тросы, с помощью которых можно регулировать угол атаки. В тех случаях, когда элементы 32 соприкасаются с остальной частью листового элемента 1, образуя двумерную конструкцию, они не оказывают никакого действия.
С помощью указанных аэродинамически эффективных элементов 32, если каждый из них имеет желаемую конфигурацию, также можно влиять на соотношение Ca/Cd для управления поступательным движением.
Назначение и действие коушных элементов 35 для вант в упрощенной форме объяснены со ссылкой на фиг.14. В данном случае показан всего один такой элемент 35 в виде стержня, расположенный на корпусе 3 судна и взаимодействующий только с одной вантой 2. Ванта 2 показана сплошными линиями, когда листовой элемент 1 занимает в потоке ветра положение, при котором судно держит правильный курс, т.е. движется в нужном направлении. Однако если листовой элемент 1 начинает смещаться, соответствующая ванта 2 перемещается вместе с ним и в конце концов касается указанного коушного элемента 35 для вант, в результате чего смещение будет соответствующим образом ограничено, и это неизбежно приведет к перемещению листового элемента 1 в противоположном направлении без совершения каких-либо действий, выполняемых вручную или с привлечением других средств управления.
Конечно, некоторое количество таких коушных элементов 35 для вант может иметь форму, отличную от той, что показана на чертеже. Кроме того, их можно использовать парами - по два для каждой ванты 2, чтобы ограничивать смещение листового элемента 1 в двух направлениях.
Также коушные элементы 35 для вант могут быть выполнены в форме бухт, как уже было упомянуто в общей части описания изобретения.
На фиг.15 в очень упрощенном виде показано движимое ветром транспортное средство 3, которое соединено с листовым элементом 1, схожим с воздушным змеем, при помощи по меньшей мере одной ванты 100, так что сила ветра, действующая на указанный элемент 1, может использоваться для сообщения корпусу 3 этого судна поступательного движения.
На фиг.16 показан листовой элемент 1 с камерой 7 для сжатого газа, имеющей соединительный патрубок 108. Этот патрубок 108 может быть присоединен к трубе 111, через которую указанную камеру 7 можно заполнять газом, предпочтительно гелием, так чтобы посредством этой камеры 7 со сжатым газом можно было создать подъемную силу, достаточную для уравнивания силы тяжести, действующей на листовой элемент 1.
Соединительный патрубок 108 может быть выполнен, к примеру, в виде обычного быстродействующего запорного элемента, который должен обладать способностью закрываться после заполнения камеры 7, так чтобы первую трубу 111 (на данном чертеже не показана) можно было отсоединить от этого патрубка 108 после заполнения камеры 7 и присоединить вновь только при необходимости в последующей рециркуляции газа из камеры 7.
На фиг.17 схематически показано, как сжатый газ из накопителя 104 сжатого газа может быть направлен в камеру 7 листового элемента 1 после открытия клапана 102, расположенного на первой трубе 111. В данном случае клапан 105, расположенный на второй трубе 103, которая в виде байпаса установлена в обход клапана 102, находится в закрытом положении.
Для того чтобы осуществить рециркуляцию газа из камеры 7 в накопитель 104, клапан 102 должен быть закрыт, а клапан 105 на второй трубе 103 - открыт, причем предпочтительно, чтобы на камеру 7 для сжатого газа действовала сила расширения по крайней мере для содействия процессу указанной рециркуляции газа из камеры 7 в накопитель 104.
На фиг.18 показан еще один вариант выполнения системы подачи и рециркуляции газа, осуществляемых между накопителем 104 и камерой 7 и наоборот. В данном случае две трубы 111 и 103 присоединены к накопителю 104 и камере 7 параллельно друг другу. Газ, содержащийся в сжатом виде в накопителе 104, после открытия клапана 102 может поступать в камеру 7, а также временно храниться в ней и использоваться для подъема листового элемента 1.
Когда нужно удалить газ из камеры 7, сообщение через трубу 111 прерывается, что можно сделать закрытием клапана 102. Одновременно с этим включается компрессор 107, присоединенный со стороны всасывания к камере 7, в результате чего газ из камеры 7 перекачивается в накопитель 104.
Вариант выполнения изобретения, соответствующий фиг.19, изменен по сравнению с вариантом, соответствующим фиг.18. Указанные изменения заключаются в том, что труба 103 выполнена в виде байпаса и идет в обход клапана 102. Однако возможен вариант, не представленный на чертежах, но упомянутый в общей части описания изобретения, в котором клапан 102 и компрессор 107, а также трубы 111 и 103 поменяны местами.
На фиг.19 показано, что по меньшей мере один участок 111' первой трубы 111 может быть выполнен нежестким.
На фиг.20 показан вариант выполнения устройства подачи и рециркуляции газа, которое имеет два накопителя сжатого газа, обозначенные номерами 104 и 114 позиции.
В данном случае накопитель 104 имеет более высокое внутреннее давление, и от этого накопителя камера для сжатого газа может заполняться после открытия клапана 102 на первой трубе 111.
При закрытом клапане 102 и открытом клапане 105 на второй трубе газ, который в камере 7 находится в достаточно сжатом состоянии, может подаваться во второй накопитель 114 и временно храниться в нем при относительно низком давлении, причем предпочтительно, чтобы внутренний объем указанного накопителя 114 был довольно большим относительно внутреннего объема накопителя 104. В соответствующее время после включения компрессора 107 (присоединенного со стороны всасывания к накопителю 104, а со стороны нагнетания - к накопителю 104) газ, временно находящийся в накопителе 114 при низком давлении, может быть сжат и перекачан в накопитель 104.
Изобретение относится к судостроению и касается создания судов с ветровыми движителями. Движимое ветром судно имеет листовой элемент, который удерживается в непосредственной близости от корпуса судна по меньшей мере одной вантой, прикрепленной к листовому элементу по меньшей мере в трех разнесенных друг от друга точках. Указанная по меньшей мере одна ванта закреплена на направляющем элементе, установленном с возможностью перемещения на корпусе судна так, чтобы изменять положение точки приложения силы от указанной по меньшей мере одной ванты к корпусу судна в направлении, перпендикулярном и/или параллельном продольной оси корпуса судна. Листовой элемент может выполняться из гибкого материала. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности использования силы ветра и в уменьшении вращающих моментов относительно продольной оси, действующих на корпус судна. 25 з.п. ф-лы, 20 ил.
| Парусное вооружение | 1983 |
|
SU1235791A1 |
| Парусное судно | 1988 |
|
SU1622220A1 |
| US 4497272 A, 05.02.1985 | |||
| СОСКОВАЯ ПОИЛКА ДЛЯ НОВОРОЖДЕННЫХ ТЕЛЯТ | 1996 |
|
RU2098951C1 |
| Парусное вооружение судна сошВЕРТОМ | 1978 |
|
SU796077A1 |
| US 4766832 A, 30.08.1988. | |||
