Податливость воды обманчива
Есть великие, поистине гениальные изобретения, авторы которых навсегда останутся неизвестными. Никто не узнает имени человека, придумавшего колесо... Навеки окутано тайной имя творца иголки... Неведом человечеству и первый конструктор челна...
Все эти творения подсказаны человеку не только потребностью, но, вероятно, и самой природою. Кто знает, быть может, нашему пращуру попался на глаза каменный диск, катившийся с кручи — прообраз колеса, основы современного наземного транспорта... Возможно, он увидел звериную шкуру, проткнутую острым обломком кости с обрывком сухожилия,— ни дать, ни взять, иголка с ниткой... А не дуплистый ли ствол дерева, плывший по бурной реке, надоумил нашего предка сделать долбленый челн? Ведь с этой-то долблёнки и пошло кораблестроение...
Челн и океанский лайнер плавают, подчиняясь одним законам физики. Но между ними тысячи лет упорного труда, глубоких раздумий, блестящих побед и горьких разочарований...
Современный корабль — настоящий плавучий город. Чего только нет на его борту! Искусственный климат в каютах, телефонные станции, радиоузлы, собственные типографии и газеты, фабрики холода и тепла, кинотеатры, лифты, плавательные бассейны... Внутри стального исполина бьётся машинное сердце в десятки тысяч лошадиных сил. И всё это мчится со скоростью поезда, оставляя за собою пенистый след взволнованной воды.
Казалось бы, предел кораблестроительной техники уже достигнут. И все же, несмотря на ее гигантские успехи, водный транспорт — покамест самый тихоходный из всех средств сообщения, созданных человеком.
В самом деле. Шестьдесят пять лет назад, на заре авиации, аэроплан сделал свой первый «шажок» —120 километров в час: неплохо для младенца! Сегодня его потомок — реактивный воздушный лайнер — «шагает» в 20 раз быстрее, и это еще далеко не предел: скорость 5—6 тысяч километров в час станет завтра обычной, рейсовой.
За полтора столетия истории рельсового транспорта скорость поездов возросла вдесятеро. Нынешние экспрессы ходят с быстротой, о которой железнодорожники прежде могли только мечтать. Так, французская «электричка» на пробном пробеге показала рекордную для рельсового транспорта скорость — 331 километр в час!
За восемьдесят лет своей жизни и автомобиль научился ходить резво. На первых гонках автомашин, состоявшихся в 1894 году, была отмечена рекордная часовая скорость хода—13 километров. 17 июня 1964 года английский гонщик Дональд Кемпбелл развил на машине «Синяя птица» скорость 648,7 километра в час. Но этот рекорд продержался недолго. 27 октября того же года американец Арт Арфонс на гоночном автомобиле «Зеленое чудовище» развил на дне высохшего озера Бонневил скорость 899,9 километра в час, а в октябре 1965 года тот же гонщик, побив собственный рекорд, показал на «Зеленом чудовище» скорость 927,84 километра в час. Это в 70 раз превышает рекорд первой автомобильной гонки.
Сегодня можно сказать, что скорость автомобиля уже сравнялась со скоростью реактивного самолета! Правда, по сообщению журнала «Сьянс э ви» (за январь 1965 года), на машине Арта Арфонса «Зеленое чудовище» был установлен турбореактивный двигатель, снятый с американского истребителя Ф-104, мощностью 17 500 лошадиных сил!
Но рекорд Арфонса «прожил» недолго. В декабре 1965 года автомеханик Крэг Бридлав из Сан-Франциско поставил новый мировой рекорд на реактивном автомобиле: 966,365 километра в час!
«Суперболиды» — так прозвали гонщиков-сверхскоростников.
Словом, все транспортные средства соперничают между собой в том, кто кого перегонит, кто быстрее «пожрет пространство».
И только корабли по-прежнему остались в этом состязании далеко позади. Уже первые пароходы — прадеды нынешних океанских лайнеров — несмотря на слабосильные машины и неуклюжие корпуса, развивали приличную для своего времени скорость: 10—12 узлов (18— 22 километра в час). Нынешний океанский лайнер, оснащенный машинами в десятки тысяч сил, обладающий совершенными архитектурными формами, движется со скоростью всего лишь в 2,5 раза большей. И никакие ухищрения кораблестроителей не могли изменить положение. Пробовали придавать судам рыбообразную форму, ставили мощные двигатели, придумывали новые гребные устройства... В этой упорной борьбе за скорость выигрывали в лучшем случае считанные узлы, и все. Надводные суда ни за что не хотели прибавлять хода! Инженеры словно уперлись в какой-то невидимый барьер, преодолеть который им оказалось не под силу.
Но погодите делать скоропалительные выводы, будто песня кораблей уже спета. Нет, в истории кораблестроения еще не написана последняя страница, не поставлена последняя точка! Когда исчерпываются старые возможности и способы борьбы за скорость, пытливый ум человека отыскивает новые пути и добивается успеха.
Так произошло и в кораблестроении. На наших глазах совершаются новые поразительные превращения древнего челна. Самое удивительное заключается в том, что корабль — инженерное сооружение, веками предназначавшееся для того, чтобы плавать на воде,— стремится... выйти из воды.
Вы, наверное, видели, как мчатся по реке быстроходные глиссеры. Эти суденышки на полном ходу едва не выскакивают совсем из воды. На днище глиссера имеется небольшая площадка — редан. Когда глиссер стоит на месте или идет малым ходом, он ничем не отличается от простой лодки. Но как только он начинает набирать ход, возникает подъемная сила, которая выводит глиссер на редан, и суденышко мчится с завидной скоростью, скользя на редане, как на лыже. Оказывается, что если бы глиссер не вышел из воды на редан, он не смог бы двигаться с огромной скоростью.
Знаменитый английский гонщик Дональд Кемпбелл в декабре 1964 года поставил на глиссере «Синяя птица» рекорд скорости на воде — 444,615 километра в час!
Примерно то же происходит и с кораблями на подводных крыльях. Набрав нужную скорость, крылатые суда всем корпусом выходят из воды. Эти суда чем-то напоминают летучих рыб — обитателей тропических вод: рыбешки, разогнавшись, выскакивают из воды, пролетают по воздуху чуть ли не сотню метров и опять ныряют в родную стихию. Так и крылатые суда — набрав нужную скорость, они выходят из воды и словно летят по воздуху. Снизится число оборотов гребных винтов, исчезнет подъемная сила на крыльевом устройстве, и судно снова всем корпусом плавает на воде. На полном ходу под водой остаются лишь сравнительно небольшие, хорошо обтекаемые крылья и стойки. Опираясь на крылья, суда мчатся с завидной скоростью — она уже превышает сто километров в час! И не случайно крылатым судам присвоены имена-скороходы: «Ракета», «Метеор», «Вихрь», «Спутник», «Буревестник»...
В общем, как только корабль вышел из воды, он, наконец-то, обрел быстрый ход.
А выгнала корабль из воды... сама же вода!
Да, как ни парадоксально звучит подобное утверждение, но оно справедливо.
Вода мягка только на вид. На самом же деле она крайне неохотно расступается, чтобы дать дорогу кораблю. Она сопротивляется движению любого плавающего тела. Многие сотни лошадиных сил корабельных машин расходуются только на то, чтобы преодолевать упрямство воды. Насколько велико это упрямство, видно из такого примера. Допустим, конструктор пожелает увеличить скорость корабля вдвое. В этом случае придется поставить в машинном отделении двигатель не в два, а в восемь раз более мощный. Скажем, при дизеле в 500 сил корабль развивает десятиузловый ход. Для получения 20-узловой скорости хода понадобится дизель уже мощностью в 4000 лошадиных сил. Но ведь такой двигатель тяжелее, требует в машинном отделении больше места, стало быть, размеры корабля увеличатся. Но тогда увеличится и сопротивление воды движению корабля, а для преодоления этого сопротивления понадобится еще более мощная машина... Получается заколдованный круг, нечто вроде сказочки про белого бычка.
Плавание корабля сопряжено с преодолением сопротивления воды, однако это сопротивление — сложное, оно состоит, собственно, из трех частей, одной из которых является сопротивление волновое.
При своем движении корабль словно расталкивает, раздвигает перед собой толщу воды. За кормой при этом образуется некоторый объем, свободный от воды. Вследствие этого вода все время перетекает от носовой части к кормовой, причем перетекает не спокойно, а в виде волн. Эти волны состоят из двух групп — носовой и кормовой. Носовая группа волн зарождается чуть позади форштевня, а кормовая — несколько впереди ахтерштевня. И каждая из групп подразделяется на расходящиеся и поперечные волны. Чем выше скорость судна, тем больше волнообразование.
Под форштевнем корабля появляются волны, взвиваются ввысь и в стороны пенные буруны,— что и говорить, зрелище красивое! Но красота эта обманчива: ведь на «производство» волн расходуется немалая часть мощности корабельных машин.
Только подводным лодкам (при плавании на достаточной глубине) не страшно волновое сопротивление: там его нет вообще, так как волны не образуются. Все остальные корабли избежать волнового сопротивления не могут.
Но самым злейшим врагом, можно сказать, «врагом номер один», является сопротивление трения. Дело в том, что обшивка корабля испытывает торможение от встречных частиц воды, и картина этого торможения выглядит примерно так. Ближайший к корпусу слой воды словно прилипает к обшивке и движется вслед за нею. Однако, так как вода обладает вязкостью, вслед за первым слоем воды увлекается и следующий слой, но он уже движется медленнее первого. Затем увлекается еще один слой,— он движется еще медленнее. Только на некотором расстоянии от обшивки вода остается неподвижной относительно движущегося корабля.
На преодоление сопротивления трения также расходуется немалая часть мощности судовой силовой установки.
Стоя на корме плывущего корабля, можно увидеть водовороты, отбрасываемые гребными винтами. Эти водовороты и вихри возникают потому, что винтовые суда имеют выступающие части — гребные валы, кронштейны гребных валов, боковые кили и др. Эти части и порождают при движении судна так называемое вихревое сопротивление, или сопротивление формы.
Кроме того, при движении кораблю приходится преодолевать еще один вид сопротивления — воздушное: ведь значительная часть судна находится над водой и ей необходимо расталкивать воздух. Но так как воздух почти в 800 раз менее плотен, чем вода, величина этого сопротивления не так уж велика, хотя судам, особенно скоростным и крупным, приходится считаться с ним.
Если сложить вместе все три составные части сопротивления воды движению корабля, то на долю сопротивления трения придется (для некоторых судов) чуть ли не девять десятых всей суммы.
Вот какие сложные физические явления сопутствуют движению корабля; действительно, податливость воды обманчива!..
Великий ученый Леонардо да Винчи мудро сказал: «Когда имеешь дело с водою, прежде посоветуйся с опытом». И вот опыт, вся долголетняя практика кораблестроения подсказали инженерам парадоксальное решение: хочешь, чтобы корабли развивали большую скорость, заставь их... выйти из воды, потому что никакими ухищрениями упрямую воду не переупрямить!
Так появились надводные корабли, порвавшие со своей родной стихией — водою.
Колыбелью нового вида транспорта явилась наша Родина. Идею такого транспорта высказал «архитектор для производства работ Архангельской губернской и дорожной комиссии» коллежский асессор Иванов. В сентябре 1853 года он подал по начальству рапорт, в котором писал, что им «придумано судно под наименованием трехкильный духоплав, которое с помощью воздушной на нем машины, вгнетанием воздуха под его дно может плыть с значительной быстротой против ветра и стремя воды». К рапорту были приложены выкладки и чертежи.
Что же представлял собой «духоплав» Иванова?
Судя по описанию, составленному коллежским асессором, это было трехкильное плоскодонное судно, закругленное в корме и носу. Под днищем имелись 24 пирамидально-усеченные воронки, обращенные раструбами в корму. Воздух в эти воронки нагнетался с помощью ручных мехов, подобных кузнечным. Из воронок воздух выходит в воду. Изобретатель писал, что «от напряжения воздуха в пространстве, заключающемся в воронках под дном, от давления воды, прикасающейся к напряженному сему воздуху, и наконец от стремления воздуха к освобождению сквозь отверстия в килях с упором в открытую воду, произойдет желаемое движение судна».
В этом проекте, как мы увидим дальше, содержались основные принципы движения современных судов и аппаратов на воздушной подушке.
Рапорт асессора Иванова был «оставлен без рассмотрения»: царские чиновники усмотрели в нем «химеру» и загубили ценнейшее предложение...
Прошло почти четверть века. В 1875 году знаменитый ученый-кораблестроитель Вильям Фруд высказал мысль о возможности применить «воздушную смазку» для движения судов, имеющих в плане круглую или широкую форму.
В 1927 году в Калуге вышла в свет маленькая брошюра Константина Эдуардовича Циолковского «Сопротивление воздуха и скорый поезд». В этой книжечке содержится характерная для смелого творчества К. Э. Циолковского идея создания поезда... без колес и паровоза. По мысли ученого, под вагоны следует накачивать сжатый воздух. Когда давление воздуха преодолеет силу тяжести и приподнимет вагон над полотном дороги, воздух, выйдя из заднего подвагонного сопла, станет двигать поезд вперед с большой скоростью: ведь главный враг скорости — трение колес о рельсы и в движущихся частях — устранен! Вот что писал по этому поводу Константин Эдуардович: «Трение поезда почти уничтожается избытком давления воздуха, находящегося между полом вагона и плотно прилегающим к нему железнодорожным полотном». И далее: «Не нужно, конечно, колес и смазки. Тяга поддерживается задним давлением вырывающегося из отверстия вагона воздуха. Работа накачивания тут также довольно умеренна (если вагон имеет хорошую, легкообтекаемую форму птицы или рыбы). Является возможность получить огромные скорости».
Итак, здесь довольно определенно высказана идея бесколесного наземного транспорта, идея так называемой воздушной смазки.
Эту идею применительно к судам использовал в том же 1927 году профессор Новочеркасского авиационного института В. И. Левков. Он разработал так называемую купольную схему создания и поддержания воздушной подушки и в период с 1927 по 1935 год построил модель опытного катера, а вскоре и сам катер.
Катер Левкова своим внешним видом напоминал большое перевернутое блюдо. Посреди корпуса судна возвышалась широкая труба. Но это была не дымовая труба. Внутри нее был смонтирован вентилятор, засасывавший воздух и гнавший его под куполообразное днище катера. Сжатый воздух оказывался в западне, словно между молотом и наковальней. Снизу его не выпускала вода, являющаяся хотя и податливым, но все же неодолимым для воздуха препятствием. Сверху шлагбаумом для воздуха служило днище корабля. А вентилятор неутомимо продолжал гнать воздух. Вода немного прогибалась под днищем катера, где создавалась в замкнутом пространстве зона повышенного давления. Давление в куполе возрастало. Вода упряма, но сжатый воздух не менее упрям. Он, словно мягкий клин, стремился отколоть, оторвать катер от воды. Наконец, он пересиливал силу тяжести и отрывал судно от воды: катер приподнимался сантиметров на 25—30. Шипя и брызгая водяной пылью, вырывался из-под днища невидимый пленник. В этот момент «оживали» тянущие пропеллеры, приводившиеся от отдельного двигателя в корме катера. Катер быстро устремлялся вперед, паря над самой водою. Вентилятор, знай себе, гнал воздух под днище, непрерывно поддерживая воздушную подушку, и катер, скользя на ней, буквально летел... Для поворотов имелись воздушные рули, как на самолете.
Какова толщина воздушной подушки? Она, естественно, зависит от количества воздуха, подаваемого вентилятором под днище, или иначе, от производительности вентилятора.
Катер профессора Левкова двигался над водой на 30-сантиметровой подушке воздуха.
Ранним утром 25 июля 1959 года от Дуврской пристани отчалило судно на воздушной подушке. Судно имело в длину 9, а в ширину 4,3 метра и весило около 4 тонн. На переходе через Ла Манш «Ховеркрафт» показал скорость около 25 узлов. Высота воздушной подушки составляла 30 сантиметров. Подушка создавалась и поддерживалась вентилятором, который приводился в действие авиадвигателем мощностью 540 лошадиных сил.
В 1961 году на речные просторы вышло первое советское судно на воздушной подушке «Нева», построенное в Ленинграде. Судно рассчитано на 38 пассажиров;
скорость его достигает 50 километров в час. Спустя год горьковчане спустили на воду высокоскоростной катер «Радуга» на воздушной подушке; скорость его хода — до 110 километров в час. В Горьком же в октябре 1965 года построен и испытан другой пассажирский катер на воздушной подушке — «Сормович», со скоростью хода около 120 километров в час. Салоны этого парящего судна вмещают более пятидесяти пассажиров.
Суда на воздушной подушке быстро завоевывают реки и моря. В США их именуют: «аппараты, использующие влияние близости поверхности», в Англии: «транспортные средства на воздушной подушке», или «Ховеркрафты». У всех таких судов между водой и днищем постоянно поддерживается воздушная прослойка, на которой судно скользит и движется, неся ее все время с собой.
К настоящему времени известно несколько способов создания воздушной подушки; каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
«Крыло-таран». Это — низколетящее крыло обтекаемой формы. При движении вперед такое крыло вызывает торможение воздуха, и под крылом создается зона повышенного давления; аппарат поднимается над поверхностью. При всей простоте устройства такого парящего сооружения ему присущ крупный недостаток: неустойчивость в движении.
«Камерная схема». Воздух подается вентилятором под днище судна, приподнимая его над водной поверхностью. Воздух вытекает из-под днища по всему его периметру. Чтобы воздух быстро не «удрал» на волю, для него придуманы специальные заслоны вроде юбки. Завеса не позволяет сжатому воздуху быстро покинуть подкупольное пространство. Делают еще так: по краю днища располагают расплющенные трубки, по которым подают воздух, сжатый немного сильнее, чем подаваемый под днище, в воздушную подушку. Таким образом создается невидимая завеса: воздух удерживает воздух, не позволяя ему улизнуть из-под днища корабля.
При камерной схеме расход воздуха довольно значителен, сама же воздушная подушка неравномерна по толщине.
«Воздушная смазка». При таком способе воздушная подушка весьма невысока, зато судно (или аппарат) может развить значительную скорость. Единственное условие — идеально гладкая водная поверхность (или дорога). Без этого применение воздушной смазки становится бесполезным.
«Сопловая схема». Воздушная подушка при этой схеме поддерживается струями воздуха в виде завесы по краям днища. Она применена в английских «Ховеркрафтах» и отличается большим брызгообразованием: судно мчится словно в густом тумане.
«Лабиринтная схема». Это наиболее удачный из всех способов создания воздушной подушки. Воздух, нагнетаемый вентилятором, заставляют пройти по специальным лабиринтным каналам, в результате чего почти полностью отсутствует брызгообразование. Суда, построенные по такой схеме, требуют, однако, двигателей повышенной мощности.
Правда, у всех парящих кораблей остался еще «враг номер два» — сопротивление воздуха. Оно тоже мешает кораблю быстро двигаться.
Однако, придавая судам на воздушной подушке обтекаемую, хорошо «зализанную» форму, можно значительно ослабить сопротивление воздуха.
Самое примечательное состоит в том, что судам на воздушной подушке не страшны мели, песчаные косы, мелководье; не нужен им и фарватер. Путь парящего судна— наикратчайший: напрямик к порту назначения! Причаливание таких судов тоже необычно: подошел к берегу, выключил вентилятор, уткнулся носом в сушу, и готово — ни якорей, ни пристаней не надо; перебросил трап и, пожалуйста, сходи на берег...
Область применения парящих судов буквально неограничена. Особенно пригодятся они на заболоченных, мелких речках, где раньше никакого судоходства и быть не могло.
У «Ховеркрафтов» появился младший брат — «Ховертрак» — машина на воздушной подушке, предназначенная специально для работы на рисовых полях (посев зерна, распыливание удобрений и ядохимикатов). И кто знает, не появятся ли завтра на полях диковинные парящие тракторы, комбайны и сеялки?..
Аппараты, движущиеся на воздушной подушке, вероятно, используют и для замены конвейерных лент и транспортеров. В Англии уже сконструировано заводское транспортирующее устройство на воздушной подушке; появились там и медицинские носилки на воздушной подушке; переноска больных на таких носилках почти полностью безболезненна.
Одним словом, и у парящих аппаратов — тоже большое будущее!
* * *
Теперь, когда мы рассказали о новом виде водного транспорта, уместно спросить: можно ли считать парящий корабль — кораблем?
И да, и нет.
Конечно, это корабль, потому что он построен для плавания на воде. И в то же время — не корабль в старом, классическом понимании этого слова. Сжатый воздух, разумеется, не превратил корабль в самолет. Но вместе с тем, это уже и не корабль. Парящий корабль и просто корабль разнятся между собой, как отличаются друг от друга пешеход и конькобежец. Конькобежец потому и движется быстро, что под коньками образуется полоска воды от тающего под давлением льда, и человек мчится как бы на водяной смазке. Смазкой для парящего корабля служит воздух.
И хотя, повторяем, парящий корабль — не самолет, но он уже движется, как первые аэропланы — 70 узлов (126 километров в час); для начала отлично! Любопытно, что водителями парящих кораблей являются... бывшие пилоты: символическое изменение профессии!
Специалисты полагают, что в скором времени можно будет соорудить парящие суда-гиганты водоизмещением в тысячи тонн, на тысячу и более пассажиров, со скоростью движения 300—500 километров в час! Представляете себе картину недалекого будущего: плоское судно, похожее на громадное блюдо, мчится над водою, обгоняя любую бурю! Только рябь остается на поверхности воды, да в ушах отдается посвист сжатого воздуха. А корабля уже и след простыл; на горизонте чернеет только точка.
Вдумайтесь же: перед вами не что иное, как ковер-самолет, пришедший из сказки, чтобы стать явью...