Что ограничило бы размер морского грузового корабля с парусным двигателем, использующего современные технологии (или технологии ближайшего будущего), и до каких размеров мы можем дойти?

Никаких ограничений*, но используйте воздушных змеев.

Подробнее можно прочитать в Википедии . Короче говоря, кайт-парусы уже используются на кораблях разных размеров, особенно больших. Конечно, не как единственная силовая установка, но и не из-за недостатка мощности. Проблема в непредсказуемости ветра, но в вашем мире это не так.

Современные воздушные змеи добавляют до 20% мощности грузовому судну. Но это ограничено тем фактом, что эти грузовые суда были построены не для того, чтобы их тянули, а для того, чтобы их толкали; это доработка. Использование кайта в 5 раз большего размера с корпусом, предназначенным для этого, с более прочной передней частью и более легкой задней частью не должно быть технологической проблемой. Даже корабль не должен выглядеть существенно иначе.

* Конечно, все обычные ограничения по размеру остаются в силе, просто никаких новых ограничений при использовании воздушного змея не добавляется.

Хотя у меня нет математики, чтобы решить это, некоторые примеры из реального мира показывают, что вы действительно можете получить довольно впечатляющие результаты, если измените свое отношение к парусам.

У Кубка Америки была проблема, когда дизайнеры начали выходить за рамки стандартного. Гигантские катамараны с крыльями, строго говоря, не являются яхтами, но они, безусловно, двигались гораздо быстрее, чем любой мыслимый однокорпусник. Эффективность крыла над тканевым парусом в преобразовании энергии ветра в движение является ключом:

Конечно, как вы можете видеть на графике, «крыло» должно быть огромным, или вам может понадобиться усеять палубу крыльями, что-то вроде триплана, лежащего на боку.

Существуют еще более экстремальные конструкции, такие как мировой рекордсмен по скорости парусного спорта « Sailrocket », где парус обеспечивает как подъемную силу, так и тягу. Насколько практично это будет для грузового судна, сомнительно, но быстрая посылка с ценным грузом или почтой может использовать преимущества такой технологии.

Вестас ПарусРакета

Ключом к обеим этим конструкциям является жесткий парус, который не рассеивает энергию при изгибе или взмахах, как нежесткий парус. Даже судно со шхуной, заменяющее такелаж на три крыла, должно значительно увеличить производительность только по этой причине.

Так что, если вам не нравятся кайтсейлы, вам подойдут вингсейлы.

Парусное судно можно было бы спроектировать размером с современный супертанкер, если бы мы захотели это сделать. Есть несколько способов использовать энергию ветра для движения корабля. Одним из них является так называемая концепция «роторного корабля». Мы можем использовать то, что фактически является башнями ветряных турбин, вместо парусов, которые могут использовать ветер с любого направления и практически с любой скоростью и состоянием моря. Объедините это с развернутыми кайт-парусами, когда это возможно, и вы получите очень эффективную комбинацию, которая будет надежно двигать ваш корабль, даже если будет ветер.

Максимальный размер больше зависит от технологии материалов, чем от типа двигателя. Благодаря современным технологиям материалов мы можем сделать парусник практически любого размера. Очевидно, что он не так надежен, как электроэнергия на ископаемом топливе, но это другой вопрос.

Самым большим парусным судном без вспомогательного двигателя из когда-либо созданных был Thomas W. Lawson , его высота 145/120 м, мачта-корма/палуба, что составляет треть размера супертанкера. По иронии судьбы этот корабль был предназначен для перевозки нефти и угля.

Основными ограничениями этого корабля были трудности с управлением им вблизи портов, если бы такие большие суда были обычным явлением, порты должны были бы быть оборудованы для их обработки.

Я бы представил прямые доки, выстроенные бок о бок, с соединяющими их убирающимися мостами. Каждое судно будет направляться в свой слот с помощью рельсовой системы, а затем покидать порт в противоположном направлении, избавляя от необходимости делать крутые повороты.

Важно отметить, что буксиры были бы совершенно невозможны, но, оптимизируя большие гавани вышеописанным образом, мы избавляемся от наиболее проблемного аспекта суперкораблей с парусным двигателем.

Такие большие корабли все равно будут ужасно рыскать, и им потребуется очень сильный ветер, чтобы идти по курсу. Вполне вероятно, что этот размер является максимально возможным, и вполне возможно, что такой корабль будет слишком велик, чтобы его можно было использовать практически в больших количествах.

Современные балластные технологии могут использоваться для предотвращения возможности слишком сильного рыскания и потенциального опрокидывания, но никакая технология не может увеличить доступный ветер.

Одна из идей состоит в том, чтобы сделать корабли шире и потенциально оснастить их двумя парусами, расположенными рядом, но я понятия не имею, создаст ли это слишком большую нагрузку на палубу, и я подозреваю, что такой корабль разорвется на части.

Я бы сказал, что вы можете легко масштабировать большие парусные корабли 1900 года в два раза (-> 220 м в длину или около того), давая восьмикратный тоннаж (-> 40 000 тонн). Современные материалы и технологии удерживают численность экипажа в прежнем регионе, 40-50 человек. Переход от полного вооружения к шхуне или многомачтовому шлюпу возможен с использованием современной ткани и еще больше сокращает размер экипажа.

Скорость практически любого корабля пропорциональна квадратному корню из длины, поэтому в среднем вы получите около 14 узлов, если только у вас нет маршрута с очень слабым ветром. Здесь тоже помогут современные прогнозы погоды.

Маневрировать в порту помогает электрическое носовое подруливающее устройство, питаемое от буксира (толкача), которое работает от аккумуляторов, заряжаемых на суше. Огромной проблемой в то время была буксировка, когда слегка неблагоприятные ветровые условия в порту могли позволить владельцам буксиров вымогать прибыль за весь рейс. Определенно то, что вы хотите организовать. Или вы тратите небольшое количество энергии ветра, доступной во время плавания, на электролиз воды и делаете портовые маневры с собственным гидрогенератором. Вероятно, стоит, вы определенно хотите иметь аварийные двигатели большой мощности.

Поскольку у вас есть предсказуемая энергия ветра, вы потенциально можете создать ветряные электростанции (не прикрепленные к кораблям), которые производят электричество для питания больших электродвигателей. Пока у вас есть некоторый запас энергии для этого электричества (большие эффективные батареи), вы, возможно, сможете делать моторные лодки, очень похожие на те, что мы имеем сегодня, с электрическими двигателями вместо двигателей внутреннего сгорания. Другой альтернативой, если батареи не хватает, может быть лодка, что-то вроде авианосца с ветряными турбинами наверху, приводящими в действие электрический двигатель внизу.

Тем не менее, вероятно, менее эффективно перейти от ветра к электродвигателю, чем сразу перейти от ветра к движителю, но я не думаю, что вы должны быть ограничены такими вещами, как размер мачты, если у вас есть предсказуемая мощность. источник энергии где-то и способ хранения и извлечения этой энергии позже.

С инженерной точки зрения вопрос об ограничении размеров имеет много общего с ограничением веса самолета. Вы должны учитывать прочность доступных материалов, когда они подвергаются силам, которые пытаются согнуть или деформировать их. По мере увеличения длины быстро становится невозможным сделать достаточно жесткое крыло (самолет) или мачту (парус).

Я не знаю, что означает этот предел для корабля, который может иметь довольно много парусов по всей длине. Для самолета существующие тяжелые военно-транспортные средства довольно близки к пределу.

Воздушный змей представляет собой исключение, потому что он сделан из ткани и тросов, и все они находятся в натяжении. Ничего жесткого, чтобы его можно было сломать или погнуть. Такое же преимущество, как у подвесного моста перед любым жестким мостом.

Считаете ли вы ротор Флеттнера, использующий эффект Магнуса, «парусом»?

У Veritasium есть видео об эффекте Магнуса и его использовании в лодках и самолетах . Эти лодки с вращающимися цилиндрами, а не с традиционными парусами (или наряду с ними), могут стать довольно большими. В статье Gizmodo они называются мегакораблями и описываются роторы Флеттнера, модернизированные для танкера дедвейтом 110 000 тонн (Suezmax). Прирост эффективности сложно рассчитать , и эти роторы Флеттнера предназначены для дополнительного использования в дополнение к существующему двигателю, но с более предсказуемыми ветровыми условиями необходимые расчеты будут проще, и этот тип судов может стать обычным явлением.

Помимо очевидных проблем с материалами и т. д., чем больше судно, тем больше должен быть парус, чтобы иметь достаточное лобовое сопротивление (или что-то еще), но будет момент, когда мачта и парус рискуют вывести судно из равновесия (если только это не произойдет). был чрезвычайно широким или имел очень большой кинжал), так что я думаю, что это было бы ограничивающим фактором, воздушный змей тоже был бы хорошей идеей ...