Κείμενο - φωτογραφίες : Δημήτρης Καραγεωργίου

Τα τελευταία χρόνια, οι μελέτες των ρευστών στοιχείων, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, αφού από τη μια αφορούν την ναυπήγηση σκαφών και από την άλλη επηρεάζουν τον σχεδιασμό και την εφαρμογή νέων συστημάτων στους ναυτικούς κινητήρες. Έτσι, διαμορφώνεται ένα εξαιρετικά πολύπλοκο πεδίο, αυτό της κίνησης των μηχανοκίνητων σκαφών, που επικεντρώνεται σε ένα και μοναδικό εξάρτημα: την προπέλα.

Η εξέλιξη της προπέλας δεν είναι σημείο των καιρών, ούτε καν του αιώνα μας. Κάθε άλλο μάλιστα. Η σχετική τεχνογνωσία, όμως, άρχισε πρόσφατα να καταγράφεται σωστά, αφού μέχρι πρότινος, οι σχετικές προσπάθειες ήταν πιο πολύ εμπειρικές και όχι αποτέλεσμα εργαστηριακής μελέτης. Σημαντική βοήθεια γι’ αυτό, πρόσφεραν η εξέλιξη στην τεχνολογία γενικά και οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, καθώς και η χρήση υδροδυναμικών σηράγγων, ειδικότερα.
Ο τροχός είναι χωρίς αμφιβολία η πιο σημαντική δημιουργία στην ιστορία της ανθρωπότητας. Όμως, το ξεχασμένο επικλινές επίπεδο, είναι το σπουδαιότερο πεδίο εφαρμογής του και η απόδειξη των εξαιρετικών του δυνατοτήτων. Μια εφαρμογή του είναι η βίδα, που κάποιο είδος της τοποθέτησε ο Leonardo Da Vinci στην περίεργη μηχανή του, που πήρε το όνομα ελικόπτερο.
Από ‘κει και πέρα, μια ειδική κατασκευή, και συγκεκριμένα μία έλικα, μελετήθηκε και εφαρμόστηκε σε ρευστά υλικά. Η εξέλιξη αυτής της κατασκευής δημιούργησε την προπέλα. Χρειάστηκε να περάσουν 300 χρόνια μέχρι το 1829, όταν ο Γερμανός J. Ressel πειραματίστηκε στον κόλπο της Τεργέστης με την πρώτη κατασκευή που διεκδικεί τον τίτλο της προπέλας, ενώ δέκα χρόνια αργότερα έγινε η πρώτη εφαρμογή σε πλοίο, του Αρχιμήδη, ένα σκαρί 200 τόνων, που ανέπτυξε ταχύτητα 9 κόμβων. Όλα αυτά σε ευρωπαϊκό έδαφος.
Το κύριο χαρακτηριστικό της προπέλας είναι η μετατροπή της ισχύος του κινητήρα που εκφράζεται σε kw, σε ώση που εκφράζεται σε kgr και στηρίζεται στη γνωστή αρχή της φυσικής, όπου η δράση γεννά αντίδραση. Έτσι, ενώ η μάζα του νερού ωθείτε προς τα πίσω, φαινόμενο που αντιστοιχεί στην δράση, παρατηρείται μια ώθηση του σκάφους προς τα εμπρός, φαινόμενο που αντιστοιχεί στην αντίδραση και εκφράζεται με έναν απλό τύπο: F= mo (U-V), όπου F είναι η ώση σε kgr μάζας, U η ταχύτητα της δέσμης νερού και V η ταχύτητα μετακίνησης του σκάφους. Μεγέθη που εκφράζονται και τα δυο σε m/sec.
Πριν όμως προχωρήσουμε στην διερεύνηση του αντικειμένου που λέγεται προπέλα, όπως έχει διαμορφωθεί ως σήμερα, έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον να δούμε μέσα από μια σύντομη ιστορική αναδρομή, όλα τα στάδια και τους σταθμούς της εξέλιξης του πολύ σημαντικού αυτού εξαρτήματος.
Η πρώτη εφαρμογή προπέλας σε μηχανισμό ατμολέβητα έγινε το 1802 στο Hudson River από τον John Stevens. Οι διεργασίες, που κράτησαν τέσσερα χρόνια, θεωρούνται ως η πρώτη -επιτυχημένη- απόπειρα πλοήγησης σκάφους παγκοσμίως. Με την ατμοκίνηση να έχει εκτοπίσει την ιστιοφορία ως κινητήρια δύναμη στους στόλους όλου του κόσμου και την τεχνολογία να δοκιμάζει δειλά τις πρώτες εμπνεύσεις των πρωτοπόρων της εποχής, ήδη από τον Αύγουστο του 1791, υπάρχουν καταχωρημένες τρεις πατέντες που αφορούν σε κατασκευές ατμομηχανών με προσαρμογή προπέλας των John Fitch, James Rumsey και John Stevens. Λίγα χρόνια πριν, το 1798 o John Stevens βρέθηκε σε κοινά πειράματα με τους Livingston, N. J. Roosevelt και I. Brunel με προοπτική την βελτίωση του συστήματος ατμοκίνησης του Passaic River στο New Jersey. Οι προσπάθειες τους, που επικεντρώνονταν σε ένα σκάφος 30 τόνων και μοιάζουν πολύ με αυτές του Ruthven στην Αγγλία με το Waten Witch πενήντα σχεδόν χρόνια αργότερα, δεν είχαν επιτυχή κατάληξη.
Οι γνωστοί μας υδρόμυλοι, κινητήρια δύναμη των οποίων είναι η ροή του νερού πάνω στις επιφάνειες των μεταλλικών πτερυγίων, ήταν ήδη σε χρήση στην Κίνα, πολλούς αιώνες πριν γίνουν, σαν κατασκευή, γνωστοί στη Δύση. Πρακτικά, η διάταξη αυτή, είναι παρεμφερής με αυτήν των ανεμόμυλων και η εφαρμογή τους για την κίνηση των ατμόπλοιων, έγινε με αναστροφή της εφαρμογής ενέργειας, αφού το νερό ή ο αέρας, γύριζαν τον τροχό για παραγωγή έργου μέσω του άξονα. Ο καινούριος μηχανισμός, τοποθετούσε την κινητήρια δύναμη πάνω στον άξονα και πλέον η φτερωτή και κατ’ επέκταση η προπέλα, θα εκτόπιζε το νερό, σπρώχνοντάς το πίσω περιστροφικά.
Η πατρότητα της ιδέας, διεκδικήθηκε από τον John Stevens στο γράμμα του προς τον Dr. Hare, υπεύθυνο για την υποβολή μελετών εξέλιξης μηχανισμών πρόωσης, χωρίς να γνωρίζει πως ο μαθηματικός David Bernouli ήδη από το 1752 είχε ήδη προχωρήσει στην εφαρμογή της, όπως περιγράφεται από τον David Bustinell στο γράμμα του προς τον Thomas Jefferson το 1787. Εκεί, η προπέλα κινείτο χειροκίνητα και το σκάφος που κινούσε ενεπλάκη σε επεισόδιο με εγγλέζικο πλοίο εξοπλισμένο με 50 κανόνια μέσα στο λιμάνι της Νέας Υόρκης. Πάντως, αξίζει να σημειωθεί, πως πάνω στην ίδια ιδέα της περιστροφικής προπέλας, εργάστηκαν οι Franklin, Watt, Paulton και άλλοι σε διαφορετικούς όμως τύπους και χρόνους.
Πριν από το 1802, η περιστροφική προπέλα καταγράφηκε σαν πρωτοποριακή εφαρμογή-πατέντα στην Αγγλία δύο φορές και μάλιστα με τεχνικές προδιαγραφές και σχέδια. Στο σχήμα που παρατίθεται εδώ, φαίνεται με ακριβή τρόπο η ιδέα του Lyttleton στις 15/7/1794 με αριθμό 2000. Περιελάμβανε την spiral κατασκευή των πτερυγίων που προσαρμοσμένα πάνω σε άξονα έπαιρναν κίνηση από σχοινί, ένα είδος ιμάντα που η κίνησή του προερχόταν από άλλο ανεξάρτητο μηχανισμό.
Η εφαρμογή αυτή ξεκίνησε σε κάποιο πλοίο στο Greenwich με αποτέλεσμα την επίτευξη ταχύτητας 2 μιλίων. Η δεύτερη πατέντα, καταγράφηκε από τον Edward Shorter το 1800 και περιελάμβανε μια σχετικά διαφορετική διάταξη, όσον αφορά στο σχήμα των πτερυγίων που έδωσε στο “Doncaster” ταχύτητα 1 ½ μιλίου την ώρα, όταν τον μηχανισμό του «ιμάντα» κινούσαν οκτώ άνθρωποι.
Επιστρέφουμε στον John Stevens και τις προσπάθειές του, για να τονίσουμε πως συνεχίστηκαν ως το 1806 με πειραματικές εφαρμογές πάνω σε συστήματα μηχανών ατμού, με σωληνοειδή καζάνια, όπου ο ατμός συμπιεζόταν με μεγάλη πίεση, ενώ η προπέλα που άρμοζε στον άξονα, ήταν ο πρόγονος του τύπου της τετράφτερης, όπως αυτή μας είναι γνωστή σήμερα. Όπως και ο ίδιος περιγράφει την κατασκευή του σε φύλλο της Medical & Philosophical Journal της Ν. Υόρκης τον Ιανουάριο του 1812, η κεντρική ιδέα της στηριζόταν στην περιστροφική κίνηση. Έτσι, ένα μπρούτζινο έμβολο με διάμετρο κεφαλής 8 ίντσες και μήκος κορμού 4, τοποθετήθηκε σε θέση οριζόντια αναφορικά με την καρίνα του σκάφους, μαζί με τον ατμολέβητα υψηλής πίεσης, όπου η παλινδρομική του κίνηση, έστρεφε τον προπελοφόρο άξονα που με την σειρά του ήταν τοποθετημένος υπό γωνία τέτοια που του επέτρεπε να περιστρέφει την προπέλα μέσα στο νερό.
Αυτή η πρωτόγονη, αλλά απλή συσκευή, το καλοκαίρι του 1802 τοποθετήθηκε πάνω σε ένα αβέρτο σκάφος που κατασκεύασε ο ίδιος, μήκους 7 περίπου μέτρων και πλάτους 1,70. Η ταχύτητα που καταγράφηκε έφτασε τα 4 μίλια, επίδοση ρεκόρ για τότε, ενώ και ο χρόνος λειτουργίας ξεπέρασε κάθε προσδοκία, αφού μόνο όταν επιδεινώθηκαν οι καιρικές συνθήκες σταμάτησαν οι δοκιμές.
Το 1803 συναντάμε και πάλι τον John Stevens να συνεχίζει τα πειράματά του, όχι πάντοτε επιτυχημένα, όπου σε συνεργασία με τους Livingston και Roosevelt, επιφέρει κάποιες αλλαγές τόσο στον μηχανισμό του ατμολέβητα, όσο και στην σχέση κυλίνδρου-άξονα. Οι προσπάθειές του συνεχίζονται ολόκληρο τον χειμώνα, μέχρι την άνοιξη που τοποθετείται ο βελτιωμένος «κινητήρας» στο ίδιο σκάφος δοκιμών και οι προσπάθειες συνεχίζονται πλέον εν πλω, με την αρωγή και του γιου του. Δυστυχώς όμως, έπειτα από κάποιο μικρό διάστημα οι προσπάθειες σταμάτησαν εξαιτίας σοβαρής βλάβης του ατμολέβητα που προκλήθηκε στα μέταλλα.
Η “Stuart’s Anecdote Of the Steam Engine” που εκδόθηκε στο Λονδίνο, αρκετά χρόνια αργότερα, το 1829, στον δεύτερο τόμο σελίδα 467 γράφει για τον Stevens πως ήδη στα 1804 ανακατασκεύασε τον κινητήρα του που έχει πια ένα κύλινδρο διαμέτρου 4,5 ιντσών, διαδρομή 9 ιντσών με λέβητα τροποποιημένης διάταξης. Η βελτιωμένη αυτή κατασκευή τοποθετήθηκε στο ίδιο σκάφος που με τη σειρά του είχε υποστεί κάποιες βελτιώσεις και ο γιος του αποτόλμησε την διαδρομή Hoboken-New York με σχετική επιτυχία, αφού λίγο πριν το τέρμα του ταξιδίου, το φουγάρο αποκολλήθηκε και η μηχανή σταμάτησε να λειτουργεί.
Η ζημιά αποκαταστάθηκε γρήγορα με νέα τροποποιημένη διάταξη των φύλλων στήριξης και το ατμοκίνητο σκάφος συνέχισε να εκτελεί πλόες επί αποστάσεως 2-3 μιλίων με ταχύτητες που κάποτε έφταναν και τα 8 μίλια. Τα πιο πάνω περιστατικά βεβαιώνονται και σε εκδόσεις του Historical Magazine και του “On the Steamboats Of The United States Of America”, όπου μια ομάδα επιφανών της εποχής, ανάμεσά τους και ο ελληνικής καταγωγής John H. Hill εξ Αθηνών, επισκέφτηκαν το «αρχηγείο» του Stevens, όπου περιεργάστηκαν το σκάφος των προσπαθειών του, στο οποίο πλέον χρέη μηχανικού, πυροσβέστη, ναύτη και… πληρώματος εκτελούσε ο αδελφός του Robert.
Έπειτα από πολλές δοκιμές, βελτιώσεις και τροποποιήσεις, το πρώτο σκάφος του Stevens αντικαταστάθηκε από ένα άλλο, το 1844 που άρχισε να εκτίθεται από τους απογόνους του στο Niblo’s Garden του Broadway από τον Οκτώβριο του ίδιου χρόνου. Παράλληλα, συνέχισε τους πλόες του στο Hudson River με σταθερές ταχύτητες 8 μιλίων. Στις 7 Απριλίου του 1893, το American Institute of N. York, με αναφορές των John W. Chambers και Thomas W. Harvey, ορίζει και κατονομάζει τον Stevens σαν τον πρωτοπόρο στην εφαρμογή προωστικού μηχανισμού με τοποθέτηση προπέλας, καταξιώνοντας μετά θάνατον τις προσπάθειές του.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η προσέγγιση του αντικειμένου, όπως φαίνεται και από το σκίτσο που φιλοτέχνησε ο ίδιος ο Stevens σε ένα γράμμα του προς τον R. Hare ήδη από το 1805. Φύσει ανήσυχο πνεύμα, πέρα από τις εφαρμογές και τις εμπνεύσεις του που έπαιρναν σάρκα και οστά, υπήρχαν και εκείνες που οραματιζόταν και που η τεχνολογία της εποχής καθήλωνε μπροστά σε δισεπίλυτα προβλήματα. Φαίνεται λοιπόν, πως ο ελικοφόρος, προπελοφόρος αν προτιμάτε, άξονας θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο πίσω μέρος του σκάφους και έξω από αυτό, όπου με την κατάλληλη στήριξη στο τελείωμά του, θα γινόταν εφικτό να συνδέεται με τον ατμολέβητα και να λειτουργεί σε γωνίες 30-40 μοιρών σε σχέση με την επιφάνεια της θάλασσας, ώστε να υπάρχει ικανοποιητική ώση στο σκάφος. Έπειτα από επίπονες προσπάθειες, κατάφερε να περατώσει την κατασκευή και να αρχίσει τους πειραματισμούς με το σχήμα, το μέγεθος και τον αριθμό των πτερυγίων της προπέλας του.
Φαντάζει ίσως παράδοξο, όμως για την πατρότητα της εφαρμογής πλήμνης με προσθαφαιρούμενα και δη ρυθμιζόμενα πτερύγια, μια μεταβλητού βήματος προπέλα - ή κάτι τέτοιο - ασχολήθηκαν τα τακτικά δικαστήρια της Νέας Υόρκης, σε συνέδριά τους τον Απρίλιο του 1874, όταν με αίτημα του κ. J. B. Emerson από την Ν. Ορλεάνη συζητήθηκε η κατοχύρωση της πατέντας στον ίδιο. Κατά την παρουσίαση του μηχανισμού όμως, αναγνωρίστηκε μια παραλλαγή της κατασκευής του J. Stevens. Το αίτημα απορρίφθηκε όπως ήταν φυσικό και μάλιστα του καταλογίστηκαν τα έξοδα του δικαστηρίου. Ακολούθησε προσφυγή στο δευτεροβάθμιο Δικαστήριο το 1847 για να ακολουθήσει η ετυμηγορία του Ανώτατου Δικαστηρίου το 1850, που επισφράγισε την αρχική απόφαση.
Ο μηχανισμός, που η κατοχύρωση της επινόησής του διεκδικήθηκε δικαστικά όπως είπαμε, περιελάμβανε ένα είδος πλήμνης με υποδοχές για την προσαρμογή τεσσάρων συνολικά πτερυγίων - ένα τέτοιο σύστημα κατασκευής του 1804 εκτίθεται στο Chicago - με δυνατότητα ρύθμισης της γωνίας κλίσης ως προς το επίπεδο περιστροφής. Είναι προφανές, πως ο χαρισματικός κ. Stevens προπορευόταν της εποχής του, όταν επινοούσε τέτοιους μηχανισμούς, που οι αργόστροφες ατμομηχανές αδικούσαν στις δοκιμές.
Ακολούθησε η βελτίωση της κατασκευής από τον κ. Griffith, όπου η πλήμνης της δικής του εφαρμογής ήταν σφαιρικά διαιρούμενη σε ημιμόρια που χαλάρωναν για να συσφίξουν ανάμεσά τους τις κυκλικές βάσεις των πτερυγίων που περιστρέφονταν ανάλογα με την επιλογή του χρήστη. Η βελτιωμένη αυτή έκδοση κατατέθηκε και αναγνωρίστηκε με τον αριθμό πατέντας 12769 στις 13 Σεπτεμβρίου 1849.
Ας γυρίσουμε λίγο πίσω, για να δούμε την εξέλιξη της περιστροφικής προπέλας. Οι κύριοι εκφραστές κ.κ. Smith στην Αγγλία και Ericsson στις Ηνωμένες Πολιτείες, άνδρες με ιδιαίτερες ικανότητες, προωθούσαν τις εφαρμογές τους παράλληλα και εν αγνοία του ένα προς τον άλλο, στην αρχή τουλάχιστον. Έτσι, ο καθένας για λογαριασμό του, ο πρώτος το 1836 και ο δεύτερος 2-3 χρόνια αργότερα, κατέθεσαν και επικύρωσαν τις κατασκευές τους σαν πρωτότυπες και μοναδικές.
Αντίστοιχα, ναυπήγησαν και σκάφη δοκιμής, ένα εξάτονο ξύλινο σκαρί με κίνηση από μηχανή έξι ίππων ο κ. Smith, και ένα περίπου διπλάσιου βάρους και ιπποδύναμης με την ονομασία “Francis & Ogden” ο κ. Ericsson. Και οι δύο, τοποθέτησαν για πρώτη φορά τους δοκιμασμένους μηχανισμούς τους σε εμπορικά πλοία το 1840 και σε πολεμικά το 1843. Οι νέοι ορίζοντες που ανοίχθηκαν, «υποχρέωσαν» τους εμπνευστές σε έρευνα και εξέλιξη, με αποτέλεσμα ο κ. Smith να προχωρήσει στην κατασκευή διάταξης περιστροφής του προπελοφόρου άξονα με γωνιακά γρανάζια σε κάθετη διάταξη, έμπνευση που του χάρισε την πατέντα Νο. 7184 της 31ης Μαΐου του 1836. Ο κ. Ericsson από την πλευρά του προχώρησε στην κατασκευή μηχανισμού με διάταξη δύο προπελών, μιας δεξιόστροφης και μιας αριστερόστροφης που τοποθετήθηκε στο «Robert F. Stockton» που διέπλευσε τον Ατλαντικό, με την βοήθεια ιστιοφορίας, καταπλέοντας στον ποταμό Hudson τον Μάιο του 1839.
Πρέπει να σημειώσουμε όμως, παρά το παράτολμο του εγχειρήματος, ότι παρατηρητές που εξέτασαν το σκάφος, κατέγραψαν αδυναμία εκτέλεσης ελιγμών. Πάντως, η επινόηση της κίνησης του προπελοφόρου άξονα με οδοντωτά γρανάζια και κάθετη διάταξη εφαρμόζεται -εξελιγμένη βεβαίως- στις σημερινές εξωλέμβιες με σχέσεις μείωσης κ.λ.π., σύστημα λίπανσης, ψύξης και δυνατότητα τοποθέτησης πλήθους από είδη προπελών. Επίσης, είναι σημαντικό να αναφέρουμε πως στα αρχεία του οργανισμού αναγνώρισης και κατάθεσης πατεντών βρίσκονται καταχωρημένες πάνω από 200 τέτοιες.
Είπαμε πιο πριν πως η πρώτη εφαρμογή προπέλας, έγινε το 1802. Παρόμοιες τέτοιες, σε μηχανισμούς που επινοήθηκαν για να εξυπηρετήσουν άλλους σκοπούς, αναφέρονται ήδη από το 945 π.Χ. στην Αίγυπτο. Όμως ο πρώτος επιστήμονας του οποίου η σπουδή και οι μελέτες παρέμειναν διαχρονικές, ήταν ο Αρχιμήδης (287-212 π.Χ.). Η επινόησή του, γνωστή σαν περιστροφικός κοχλίας, βίδα αν προτιμάτε, κατατάσσεται σαν πρώτη με εφαρμογή σε ναυτικές κατασκευές και μηχανισμούς πρόωσης. Η ανάγκη που οδήγησε στην κατασκευή του πρωτότυπου μηχανισμού, δεν ήταν άλλη από την επαναφορά ημιβυθισμένων πλοίων στο καρνάγιο και η εξέλιξή της ήταν η τοποθέτησή της επάνω σ’ αυτό.
Πολλούς αιώνες αργότερα, ο Leonardo Da Vinci (1453-1519 μ.Χ.) άφησε πίσω του χειρόγραφα σκίτσα, που αναπαριστούν περιστροφικούς μηχανισμούς για την άντληση νερού. Αν και η επινόηση αυτή έχει άμεσα σχέση με το νερό, ο περίφημος ρότορας ελικοπτέρου θεωρείται η κύρια έκφραση της άποψής του σχετικά με τον μηχανισμό πρόωσης για τα πλοία.
Με αυτές και άλλες εμπνεύσεις που υπήρξαν κατά καιρούς, θα περίμενε κανείς η εξέλιξη στο είδος να είναι πιο σύντομη και γρήγορη. Κάτι τέτοιο όμως δεν έγινε, παρά μόνο όταν υπήρξε εξέλιξη της εφαρμογής της ατμοκίνησης στα πλοία της εποχής, οπότε το καινούριο «εξάρτημα» τοποθετήθηκε πάνω στους ατμολέβητες, παραγνωρίζοντας τις σχετικές «προτάσεις» που ήθελαν η κινητήρια δύναμη να είναι 5-6 άνθρωποι.
Αξίζει να σημειώσουμε πως ήδη από το 1661 οι Toogood και Hays, υιοθετώντας την πρόταση του Αρχιμήδη, παρουσίασαν μια δική τους έκδοση μηχανισμού πρόωσης, που όμως έμοιαζε περισσότερο με το σημερινό water jet. Και για να τελειώνουμε με την ιστορική αναδρομή της εξέλιξης της προπέλας το 1852, η αγγλική «Treatise On The Screw Propeller» τονίζει πως χάρη στους πειραματισμούς και τις συνεχείς δοκιμές των Smith και Ericsson, καταξιώθηκε η χρήση της προπέλας σε εμπορικά και μη σκάφη, διευρύνοντας έτσι το πεδίο δοκιμών και έρευνας.
Αξίζει τέλος να σημειώσουμε, πως όπως δείχνουν τα αρχεία κατάθεσης ευρεσιτεχνιών στις ΗΠΑ, μέχρι τις μέρες μας, απαριθμούν πάνω από 200 πατέντες για κάθε είδος και τύπο προπέλας. Μάλιστα, για την εξέλιξη του αντικειμένου θεωρήθηκε ιδιαίτερα ευτυχής η συγκυρία πως ήδη από το 1840, στις Ηνωμένες Πολιτείες υπήρχαν μηχανουργεία, εργαλεία και μηχανικοί, ικανοί να εκφράσουν επακριβώς τις εμπνεύσεις των ερευνητών και να εφαρμόσουν με πιστότητα την θεωρία στην πράξη συνεισφέροντας έτσι σημαντικά στην υπόθεση της εξέλιξης της προπέλας.
Σαν αντικείμενο, η προπέλα δείχνει ομοιόμορφο και κοινότυπο, σε σχέση με την ποικιλία των μοντέλων και των τύπων που κυκλοφορούν στην αγορά. Μια πιο προσεκτική ματιά όμως αποκαλύπτει διαφορές, που σε πολλές περιπτώσεις είναι δύσκολο να εντοπισθούν. Πρακτικά, έστω και μέσα από αυτές τις μικρές διαφορές, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι βελτίωση της επίδοσης, οικονομία χρήσης, παραγωγή έργου κ.λ.π. σε μεγέθη αντιστρόφως ανάλογα. Γι’ αυτό έχει πολύ μεγάλη σημασία ο σωστός σχεδιασμός. Αυτό το πολύ κρίσιμο στάδιο, στηρίζεται σε δύο βασικές παραμέτρους, που χρησιμοποιούνται ως κατευθύνσεις: τον γραφικό υπολογισμό και την ανάλυση.
Κρίνεται σκόπιμο, πριν από την παράθεση στοιχείων, να δούμε ποια είναι τα χαρακτηριστικά εκείνα που διακρίνουν τις προπέλες και αποτελούν τα τεχνικά στοιχεία τους.
pich/βήμα: είναι η απόσταση που – θεωρητικά- διανύει το σκάφος ανά περιστροφή. Μπορεί να είναι σταθερό ή μεταβαλλόμενο ανάλογα με τον τύπο της προπέλας που χρησιμοποιούμε.
rake/ κλίση: πρόκειται για τη γωνία που σχηματίζει η θέση του φτερού, πάνω στον άξονα περιστροφής.
slip/ ολίσθηση: είναι η διαφορά μεταξύ πραγματικής και θεωρητικής μετακίνησης του σκάφους ανά περιστροφή.
cup/ σύστροφα: αφορά στην μετακίνηση του πίσω άκρου του φτερού, εξαιτίας του υλικού κατασκευής της προπέλας.

Όσον αφορά στην πρώτη παράμετρο, για την σκιαγράφηση των χαρακτηριστικών της προπέλας, χρησιμοποιούνται οι σειρές, μαθηματικά διαγράμματα, που πλέον χρησιμοποιούνται σαν λογισμικό σε υπολογιστές και μπορείτε σαν software να το προμηθευτείτε από τα καταστήματα πληροφορικής. Για την χρήση τους, αρκεί ένας αριθμός δεδομένων, ανεξάρτητα από το είδος της έκδοσής τους. Πιο γνωστές είναι οι Gawn και B του Wagenningen. Στην πράξη, μετά την τροφοδοσία του προγράμματος με τα στοιχεία που απαιτούνται, πρόκειται για μια αρκετά πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία, κυρίως λόγω της ακρίβειας που απαιτείται κατά την εκτέλεση των υπολογισμών.
Μετά την περιληπτική αναφορά μας στην γραφική μέθοδο, θα αναφερθούμε και στην αναλυτική, που σε σχέση με την μεγαλύτερη ακρίβεια που προσφέρει, απαιτεί και ανάλογα πιο πολύπλοκους υπολογισμούς. Έτσι, το μέγεθος της υδροδυναμικής αντίστασης, παράμετρος απαραίτητη για την ακρίβεια των υπολογισμών, ενώ καθορίζεται θεωρητικά, επιβεβαιώνεται με πρακτικές μεθόδους, κάτι που καθιστά την διαδικασία ασύμφορη από οικονομική άποψη.
Σε κάθε περίπτωση, το κατ’ αρχήν ζητούμενο είναι ο σχεδιασμός του ενός φτερού, για να ολοκληρωθεί κατόπιν το σχήμα και η μορφή της προπέλας συνολικά. Στην περίπτωση αυτή, το λογισμικό που υπάρχει είναι αρκετό και εναπόκειται στις ικανότητες του επίδοξου σχεδιαστή να «παίξει» με τις ιδέες του. Σημειώστε, ότι οι υπολογιστές που μπορούν να «τρέξουν» τα συγκεκριμένα προγράμματα είναι κατά κανόνα υψηλότερου κόστους - άρα και δυνατοτήτων - από τα συνηθισμένα home pc.
Τα τελευταία χρόνια, η μέθοδος σχεδιασμού προπελών, στηρίζεται στο αξίωμα της φυσικής, που λέει πως τα υγρά είναι ασυμπίεστα και οι πιέσεις που ασκούνται κατανέμονται ισομερώς. Αν λάβει κανείς υπόψη πως η έλικα, το αντίστοιχο της προπέλας στο έτερο ευρύτερα γνωστό ρευστό υλικό του αέρα, έχει να επιδείξει από τεχνικής τουλάχιστον άποψης περισσότερα βήματα εξέλιξης, γίνεται κατανοητό, πως οι νέες τάσεις μελέτης και σχεδίασης, προβλέπουν μεταφορά τεχνογνωσίας και όχι μόνο.
Και για να πούμε τα πράγματα πιο απλά, στις μεθόδους που αναφέραμε, λαμβάνονται σοβαρά υπόψη παράμετροι όπως π.χ. η κάμψη και η συστροφή που υφίσταται ένα φτερό όταν κινείται σε ρευστό υλικό, όχι μόνο στο νερό, για να γίνει δυνατή η συνολική μελέτη του αντικειμένου. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργείται η ανάγκη εφαρμογής νέων υλικών για την κατασκευή μιας προπέλας, πέρα από τα γνωστά κράματα αλουμινίου και χάλυβα, όπως Kevlar, nylon κ.λ.π.
Ας περάσουμε όμως στο πρακτικό μέρος. Είπαμε λίγο πριν, πως τα υγρά συμπεριφέρονται όπως τα στερεά. Με αυτό το δεδομένο, όπως και εκείνο που ονομάζεται αδράνεια υλικού, μπορούμε να θεωρήσουμε, πως μια προπέλα κατά την κίνησή της, θα έκανε ότι και μια βίδα στο ξύλο. Σε κάθε στροφή, θα χωνόταν τόσο βαθιά, όσο και η απόσταση στις βόλτες. Αντίστοιχη συμπεριφορά κίνησης επιδεικνύει και μια προπέλα μόνο που εδώ η απόσταση καλείται «βήμα». Και επειδή πρόκειται για υγρό, σημειώνεται απώλεια στην απόσταση που διανύεται και ονομάζεται απώλεια δυναμικού. Αντίστοιχο φαινόμενο, αποτελεί ο βηματισμός στην άμμο, όπου αν και ο διασκελισμός είναι σταθερός, η απόσταση, που διανύεται, μειώνεται, γιατί τα πόδια βυθίζονται. Ακόμη ένα παράδειγμα, είναι η τοποθέτηση μιας μικρής μηχανής σε ένα μεγάλο και ένα μικρό σκάφος διαδοχικά. Στο μεγάλο, η απώλεια θα προσεγγίζει μέγιστες τιμές, ενώ στο μικρό θα τείνει στις ελάχιστες.
Έχοντας υπόψη το βήμα της προπέλας, την σχέση μείωσης και τις στροφές της μηχανής, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση που καλύπτει ένα σκάφος –θεωρητικά- σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ας υποθέσουμε λοιπόν πως έχουμε μια προπέλα, με βήμα 19 ιντσών, σχέση 2 προς 1 και 4000 στροφές. Η σχέση μείωσης, μεταφέρει 2000 στροφές στην προπέλα ανά λεπτό και 48,2 εκατοστά διανυόμενη απόσταση ανά στροφή (προπέλας). Με δεδομένο πως μια ίντσα είναι ίση με 2,54 εκ. έχουμε: 2000Χ48,2= 96.400 εκατοστά:1000Χ60= 57,84 χλμ ή 31,2 κόμβους. Μια μέτρηση με όργανο ακριβείας, π.χ. ραντάρ ή GPS θα μας δώσει άλλη ένδειξη, μικρότερη, ας πούμε 27 κόμβους, κάτι που σημαίνει απώλεια της τάξης του 13% περίπου, το γνωστό μας πατινάρισμα.
Με δεδομένα λοιπόν κάποια μεγέθη, τόσο για τον υπολογισμό της ταχύτητας όσο και για τα επιμέρους χαρακτηριστικά της προπέλας, μπορούμε –όσο αυτό είναι δυνατόν- να προχωρήσουμε στην επιλογή της κατάλληλης, εκ του ασφαλούς. Εκτός από το βήμα, δυο ακόμη χαρακτηριστικά επιδρούν καθοριστικά στην διαμόρφωση του τελικού μεγέθους του έργου που παράγεται. Η διάμετρος και το μέγεθος του φτερού, το μήκος δηλαδή, της περιμέτρου του κύκλου που σχηματίζει η προπέλα και που είναι συνάρτηση του μεγέθους του φτερού. Η επιφάνεια εκτίναξης δηλαδή εξαρτάται άμεσα από τον αριθμό και το είδος των φτερών. Πιο συνηθισμένα χρησιμοποιούνται τρίφτερες με τα γνωστά κράματα αλουμινίου, που είναι η χρυσή συνταγή του μέσου όρου έργου, απόδοσης και τιμής αγοράς βεβαίως. Από εκεί και πέρα προπέλες με τρία ως πέντε φτερά από κράματα χάλυβα, εξυπηρετούν καλύτερα συγκεκριμένες παραμέτρους, όπως αύξηση της δύναμης πρόωσης, μεγαλύτερη τελική ταχύτητα, εύκολο πλανάρισμα, κράτημα της γάστρας χαμηλά, λιγότερα ξενερίσματα κ.λ.π. Ότι πληρώσεις παίρνεις, κυριολεκτικά.
Υπάρχουν όμως και κάποια δευτερεύοντα χαρακτηριστικά, όχι με την κυριολεκτική έννοια της λέξης όμως, αφού μόνο έτσι δεν είναι, μιας που η διαφορά κρίνεται στις λεπτομέρειες. Όπως π.χ. το πλαίσιο του φτερού και η αντικοιλότητα, στοιχεία που συνδέονται κυρίως κατά την φάση της παροχής έργου, κυρίως στις υψηλές στροφές. Θέμα καθαρά τεχνικό, που η πολυπλοκότητά του απαγορεύει κάθε περαιτέρω προσέγγιση.
Όταν για πρώτη φορά εμφανίστηκαν τορπίλες σε στρατιωτικές εφαρμογές, τέθηκε θέμα ευστάθειάς τους για καλύτερη στόχευση. Έπειτα από αρκετούς πειραματισμούς, το πρόβλημα λύθηκε με την χρησιμοποίηση ζεύγους προπελών που γύριζαν αντίστροφα και ομοαξονικά. Η τεχνική αυτή, υιοθετήθηκε, εξελίχθηκε και εφαρμόστηκε με επιτυχία στους ναυτικούς κινητήρες από την VOLVO PENTA, στις αρχές της προηγούμενης δεκαετίας, για να δούμε κάποια αντίστοιχη εφαρμογή πρόσφατα και στις εξωλέμβιες από την YAMAHA. Το πρόβλημα που κυρίως επιλύεται είναι η πλευρική κλίση, κάτι ιδιαίτερα γνωστό στα φουσκωτά - και όχι μόνο - όταν το σκάφος βρίσκεται εκτός επαφής με το νερό. Τότε, το μοναδικό εξάρτημα που κινείται στο νερό, είναι το πόδι της μηχανής και η προπέλα που «βιδώνει» τον υδάτινο όγκο, μετατοπίζει το σκάφος που ισορροπεί πρόσκαιρα στον αέρα σε κίνηση κυκλική και το σκάφος πέφτει με το αριστερό του μέρος.
Εξέλιξη, αποτελούν διάφορα συστήματα προπελών, όπου τα φτερά αλλάζουν, αποσπώμενα από τον κεντρικό κλωβό που είναι προσαρμοσμένος στον άξονα. Το υλικό κατασκευής τους, δεν έχει βάση τα κράματα μετάλλων και είναι μια συμφέρουσα λύση, έστω και σαν εναλλακτική, από οικονομικής απόψεως, δεδομένου ότι για την ποικιλία των μεγεθών αρκεί μόνο η αγορά σετ φτερών.
Ένα πρόβλημα, που παρουσιάζεται κατά την εκτέλεση ελιγμών, είναι η ανταπόκριση του σκάφους στις στροφές, όπου ανάλογα με την φορά κίνησης της προπέλας παρουσιάζεται διαφορετική συμπεριφορά κατά τους ελιγμούς. Στην δεξιόστροφη προπέλα, το επάνω μισό της κινείται σε μικρότερο βάθος και δέχεται μικρότερη υδροστατική πίεση, αντίθετα με το κάτω, όπου τα μεγέθη είναι μεγαλύτερα. Έτσι, η πρύμνη ωθείται προς το μέρος στροφής της προπέλας, δεξιά, ενώ η πλώρη κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση, αριστερά. Το αντίθετο συμβαίνει, όταν η μηχανή κάνει ανάποδα ή όταν η προπέλα είναι αριστερόστροφη. Επίσης, όταν ένα σκάφος εκτελεί συνεχώς κυκλική πορεία, οι κύκλοι δεν είναι ομόκεντροι, με αποτέλεσμα την σταδιακή μετατόπιση του κέντρου του κύκλου περιστροφής κατά μία απόσταση, που ονομάζεται προχώρηση και οφείλεται στο φαινόμενο που περιγράψαμε πιο πάνω.
Όμως το πιο σημαντικό στοιχείο για όλα αυτά, είναι η επιλογή της κατάλληλης προπέλας. Μια απόφαση που δείχνει κατ’ αρχάς δύσκολη, απλουστεύεται σημαντικά όμως, αν προσδιορίσουμε τον τρόπο και το είδος χρήσης του σκάφους, σε μέσο όρο τουλάχιστον, λαμβάνονται υπόψη πως η προπέλα που τα κάνει όλα τέλεια δεν υπάρχει. Αν υπήρχε, όλα τα σκάφη θα χρησιμοποιούσαν την ίδια. Βασικό κριτήριο, στο οποίο έχουν καταλήξει οι κατασκευαστές έπειτα από ατελείωτες δοκιμές, είναι οι περιοχές λειτουργίας που ορίζουν οι ίδιοι σαν ασφαλές όριο λειτουργίας. Μην το ξεχνάτε ποτέ, τόσο για το μέγιστο όσο και το ελάχιστο όριο τιμών. Και βέβαια, συζητήστε το θέμα σας με τον έμπορο της μηχανής και τον κατασκευαστή - έμπορο του σκάφους. Έχουν υποχρέωση να σας βοηθήσουν. Έτσι θα αποκτήσετε και κάποιο άλλοθι…