В глубокой древности, как только были придуманы самые примитивные средства передвижения по водной поверхности, сразу возникла проблема: какими силами заставить их плыть в нужном направлении. Первыми движителями, которые использовались на плотах и подобных им простейших плавсредствах, были шест и весло. Другим древним движителем был парус, иногда в комбинации с веслами. Парусные суда оказались более совершенными, они использовали энергию внешней среды – воздуха. Наряду с этим в более поздние времена и до прошлого века использовалась и непосредственно тяговая сила живых организмов: еще до нашей эры было изобретено гребное колесо, которое приводилось во вращение животными.

А кто не слышал о бурлаках? Ведь их труд использовался не только на Руси, но и во многих других странах, в том числе – и в западной Европе. Там же длительное время в качестве гребцов на галерах использовались каторжники.

Первые парусники могли двигаться по ветру, но по мере совершенствования парусного вооружения люди научились, двигаясь галсами, перемещаться в нужном направлении независимо от направления ветра. Наивысшего расцвета парусные суда достигли примерно в конце 19 в., их скорость при благоприятном ветре достигала 20 узлов. Но появление и развитие тепловых двигателей на судах привело к постепенному переходу от парусных судов к пароходам. Тем не менее, интерес к использованию парусов сохранился, и даже в последние десятилетия в мировом судостроении наблюдается заинтересованность в них, чаще как к дополнительному типу движителей. 

Этот интерес обусловлен двумя главными причинами: возможностью экономии топлива при высоких ценах на него и экологической чистотой. Применение парусного вооружения позволяет значительно уменьшить мощность главного двигателя (дизеля) без существенной потери скорости судна. Достижения современной науки позволяют механизировать установку и уборку парусов, управление ими с целью получения наивысшей скорости хода в требуемом направлении, снизить массу при достаточной прочности и долговечности.

Идея использовать пар в механике была высказана еще в I веке н.э. греческим ученым Героном Александрийским, но первый паровой котел был изобретен только в конце 17-го века. В начале 18-го паровыми машинами уже было никого не удивить, а в 1783 году сошел на воду первый пароход «Пироскаф». Изобрел его французский военный, маркиз Клод Жоффруа д’Аббан – инженер-самоучка.

Первый известный в литературе пароход «Клермонт» водоизмещением 160 т с машиной Уатта мощностью 20 л.с. был испытан и введен в эксплуатацию в 1807 году. И хотя «отцом парохода» считается Роберт Фултон, первым в мире работающим подобным транспортным средством является судно «Шарлотта Дандес», спущенное на воду в 1801 году.

В России первый пароход был построен на заводе Чарльза Берда в 1815 году. Он совершал рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом.

В качестве движителя пароходов первоначально использовались гребные колёса (если не брать в расчёт первые опыты Джона Фитча с вёслами, приводимыми в движение паровой машиной). Гребные колёса могли располагаться по бортам у мидель-шпангоута или за кормой.

К XX веку гребные колёса вытеснил более прогрессивный гребной винт. Первый винтовой пароход «Архимед» построен в 1838 году английским фермером Френсисом Смитом. С переходом от гребных колёс к гребным винтам ходовые качества пароходов намного улучшились. Это привело к тому, что к началу XX века такие суда практически полностью вытеснили на море парусники и своих колёсных собратьев.

В качестве энергоносителя в паровых машинах пароходов первоначально использовался уголь, позже - нефтепродукты (мазут).

В 1894 году Чарльз Парсонс построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость — 60 км/ч (ок. 33 узлов). После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.

Таким образом, к началу 20 века возможности паровой машины были практически исчерпаны. На смену паровой машине, несмотря на ее широкую распространенность, отлаженность конструкции и благоприятные характеристики (низкие обороты, возможность запуска под нагрузкой, доступность для реверсирования вращения и т.д.) шли паровые турбины.

В технически приемлемом виде паровая турбина была создана одновременно и независимо в Швеции и Англии. В 1883 г на паровую турбину своей конструкции взял патент талантливый шведский инженер Густав Лаваль. Англичанин Чарльз Парсонс, взяв патент на турбину в 1894 г., сумел довести ее конструкцию, и уже в 1894 г. она по своим параметрам не уступала паровой машине.

С 1958 г в Англии было начато серийное строительство крупных кораблей, оснащенных комбинированными парогазотурбинными установками. Использование таких комбинированных энергетических установок позволило снизить массу судовых энергоустановок с запасами топлива на 23%, а дальность плавания возросла на 25%. 

С начала 60-х годов 20-го века отдельные страны приступили к серийному строительству кораблей с такими комбинированными установками. А к 1976 г. 28% построенных кораблей было оснащено газотурбинными установками.

В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель (1858 – 1913) предложил поршневой ДВС. Даже первые далекие от совершенства дизель-моторы были в 3-4 раза экономичнее паросиловых установок. Судостроители сразу же ухватились за эту идею – ведь заманчиво было при прочих равных условиях принимать на борт в 3 – 4 раза меньше топлива и пропорционально увеличить дальность плавания. 

В 1898 году «Товарищество братьев Нобель» за немалые деньги приобрело чертежи 20-сильного дизеля. (И уже в 1903 г. Сормовский завод в Нижнем Новгороде построил первый теплоход – танкер озерного типа «Вандал»).

Чтобы двигатель работал на нефти, были изменены многие его детали, и в 1899 году был пущен в ход первый в мире двигатель Дизеля, работающий на этом топливе. Его мощность составляла 25 л.с. (в час на 1 л.с. требовалось примерно четверть кг нефти). Сначала дизели устанавливались на небольшие суда, но в 1911 и 1912 годах Англия и Германия принялись за строительство нескольких крупных теплоходов. Первый товарнопассажирский теплоход водоизмещением 3200 тонн сошел со стапелей в 1912 году.

Во второй половине прошлого века наступила эра атомного судостроения. В 1959 г. в СССР вступило в строй первое в мире атомное судно – ледокол «Ленин». 

Наиболее свежей альтернативой всем выше упомянутым движителям является прямое преобразование электроэнергии в движение потока воды в электрогидравлическом движителе. Но и в этом случае для производства электроэнергии, конечно же, требуется топливо.

И вот теперь грядёт эпоха «бестопливного судоходства». А разве такое возможно? Что, опять переход на «мускульную силу»?

Человечество располагает фантастическим энергоресурсом, который до сего времени практически оставался не востребованным. Речь идет о тепловом потенциале водных масс. Попытки его освоения с помощью ОТЭС (океанских тепловых электростанций) оказались  неутешительными. Первая из них была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка выдавала мощность около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезную нагрузку. 

В течение нескольких последующих лет испытывались более усовершенствованные установки. Первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, при этом полезной мощности было всего 14,9 кВт. В 1992-1998 гг. в Кеахол Пойнте действовала ОТЭС открытого типа на 210 кВт. При проектировании станции были использованы последние достижения техники. Турбогенератор был рассчитан на мощность 210 кВт при использовании теплой поверхностной воды в 26°C и глубоководной с температурой до 6°C. Небольшой объем (10%) отработанного пара использовался для опреснения воды. Наилучшие показатели производства энергии достигали 255 кВт (общей) при 103 кВт чистой энергии.

Однако созданным ОТЭС присущи очень серьёзные недостатки, а именно:

- стоимость электроэнергии, производимой ОТЭС, намного выше традиционной;

- для нормальной работы ОТЭС необходимо наличие ряда природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20°C, причем экономический эффект достигается при расстоянии от поверхности до глубины с достаточно низкой температурой не более 1 км;

- конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий;

- отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;

- если в контуре двигателя, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред не только морской флоре и фауне, но и озоновому слою планеты.

Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом глубинных вод создаются при выделении ими в атмосферу растворенных газов. Эти воды содержат большое количество углекислого газа, который выделяется при их подъеме на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры. И уж во всяком случае использование таких устройств с подъёмом глубинных вод немыслимо в качестве энергоустановки любых плавсредств. В 2018 году было сделано изобретение «морского энергокомплекса» (патентRU № 2650916), в котором отпадает потребность в подъёме глубинных вод, а приводом электрогенератора могут быть новые тепломеханические преобразователи без паросилового звена (патенты RU №№ 2613337, 2017., 2623728, 2017., 2694568, 2019. и 2728009, 2020). Всё это позволяет применить такие силовые установки на судах самого разного назначения и водоизмещения. И вот в прошлом году был выдан патент RU №2739089, 2020. на судовой двигатель, не требующий никакого топлива.

При всём разнообразии вариантов исполнения такой силовой установки принцип её работы остаётся общим: отбор теплоты у забортной воды – повышение температуры теплоносителя – преобразование тепловой энергии в механическую без использования паросиловых установок. В схеме отбора теплоты и повышения её температурного потенциала используется тепловой насос. Его испаритель может быть расположен как вне судна, например, под кормовой частью, а у катамаранов - под водой между их корпусами, так и внутри его.

Стенкой испарителя может быть и подводная часть судового корпуса (этот вариант рассмотрим подробно, в таком случае пространство между внутренними стенками испарительных камер может использоваться как рефрижераторный отсек в транспортных и промысловых судах). Компрессор теплового насоса и нагнетатели для циркуляции теплоносителей подключены к бортовой электросети с резервными аккумуляторами. Тепловой насос связан с двигателем – тепломеханическим преобразователем – через теплообменники. Наиболее перспективным тепломеханическим преобразователем для бестопливных судов представляется устройство, показанное на схематическом изображении судовой энергоустановки. В кормовой части корпуса небольшого судна отведено место для размещения испарителя мощного теплового насоса 1. Внешними стенками камеры испарения хладагента являются бортовые поверхности с хорошей теплопроводностью. Сверху расположены остальные устройства теплового насоса: компрессор 2, дроссель 3, а также теплообменники контуров теплоносителей: нагрева 4 и охлаждения 5. Для циркуляции теплоносителей в их контуре предусмотрены нагнетатели 6, подающие их в зоны нагрева и охлаждения судового двигателя. Основой двигателя является теплочувствительный элемент в виде трубы – тонкостенного цилиндра 7 из упругого сплава с большим коэффициентом теплового расширения (например, дюралюминия). Цилиндр является заодно и валом, по своим торцам он установлен в подшипниках. В своей средней части он усилен внешней втулкой, контактирующей с упорным роликом 8. Вал связан через мультипликатор с электрогенератором 9, а также с ходовым винтом, хотя последний может быть подключен к электродвигателю. 

Внутри цилиндра расположены зоны нагрева и охлаждения. Наружная его поверхность теплоизолирована. (В принципе тепловые зоны могут располагаться и снаружи цилиндра). При запуске циркуляционных нагнетателей и компрессора в зону нагрева поступает горячий теплоноситель, например, воздух, нагретый в своём теплообменнике от сжатых компрессором паров хладагента. Последний, отдав основную часть своего тепла, проходит в виде конденсата через дроссель, резко сбрасывает давление и вскипает, отбирая для этого тепло сначала у теплоносителя в контуре охлаждения, а затем – основной ресурс – от забортной воды, испаряясь на внутренней стенке бортов судна. После этого хладагент в виде пара снова попадает в компрессор.

Охлажденный в своём теплообменнике теплоноситель проходит через свою зону внутри цилиндра и понижает температуру его верхнего сегмента, при этом нижний сегмент нагрет горячим потоком от своего теплообменника. От разности температур противолежащих сегментов цилиндр прогибается в направлении сверху вниз, при этом он под воздействием упорного ролика поворачивается в указанном стрелкой направлении. Если бы тепловые зоны повернулись вместе с цилиндром, то после поворота на некоторый угол процесс бы закончился. Но зоны нагрева и охлаждения остаются на месте, в них попадают новые сегменты цилиндра, они, изменяя свою температуру, восстанавливают направление прогиба и под воздействием ролика цилиндр продолжает вращение. Кстати, следует заметить, что вместо втулки можно установить на цилиндр подшипник, а вместо ролика – упорную площадку.

Конечно, угловая скорость вращения цилиндра будет невелика, но вращающий момент будет вполне достаточный, чтобы с помощью мультипликатора обеспечить необходимую частоту вращения и электрогенератора, и ходового винта.

Технический результат широкого освоения этого новшества очевиден: оно позволит современем отказаться от традиционной судовой энергетики, которая, помимо больших затрат на топливо, требует содержания заправочных комплексов, их обслуживающего персонала, создания противопожарных систем, причиняет вред окружающей среде в нормальном рабочем режиме судов, а - главное - в аварийных ситуациях.

Экономическая выгода от использования бестопливного двигателя – это отдельная тема. Здесь необходимо только сказать, что его стоимость в разы меньше, чем у дизеля. Он, к тому же, практически не требует обслуживания, а вероятность аварийных ситуаций со всеми негативными последствиями сводится к нулю. Бестопливные судовые двигатели способны работать даже в заполярных акваториях, а вопрос «дальности» плавания судов вообще отпадает.

С их использованием можно создавать и стационарные энергоустановки как в открытых акваториях, так и в прибрежных зонах.