Помоги проекту - поделись книгой:
Обратите также внимание на то, как изменилась за эти годы форма самолетов, их внешний вид. Случайно ли это? Прихоть ли руководила конструкторами, стремление к более красивым формам или какая-то закономерность, целесообразность? Конечно, не прихоть. Внешние формы быстроходных самолетов подсказаны необходимостью. Посмотрите еще раз на график. Случайно ли, что силуэты тихоходных самолетов в нижней части кривой чем-то напоминают цаплю или аиста в полете, а в верхнем — стрижа, ласточку или сокола, сложившего крылья для стремительного броска на добычу? Нет, не случайно. И в том и в другом случае в борьбе за скорость надо было уменьшить сопротивление воздуха. Но человек, однако, не копировал птицу. Он шел к этой целесообразной форме крыла современных скоростных самолетов своим, сложным путем.
Впервые летчики почувствовали неладное в конструктивных формах довоенных самолетов при полетах с большой дозвуковой скоростью. Она достигалась при крутом пикировании и в тех случаях, когда использовались ракетные ускорители. В этот момент с самолетом начинали происходить странные и опасные явления: он трудно поддавался управлению, а то и совсем выходил из-под контроля летчика.
Стало ясно, что нельзя безнаказанно увеличивать скорость полета, устанавливая на самолетах все более мощные двигатели, пока не будет определена физическая причина этих и других непонятных явлений. Почему еще в дозвуковом полете самолет вдруг начинает испытывать какое-то дополнительное и очень большое сопротивление? И почему он при этом становится неуправляемым? За выяснение этой загадочной картины взялись ученые-аэродинамики.
Надо сказать, что в механике, в этом старейшем разделе физики, за последние десятилетия очень сильно развилась аэродинамика — наука о движении воздуха. С тех пор как Н. Е. Жуковский разгадал тайну птичьего крыла и объяснил механизм образования его поистине чудодейственной подъемной силы, которая затем помогла поднять в небо аппараты намного тяжелее воздуха, ученые немало сделали для развития авиации. Не одна научная проблема, важная для практики, была решена ими. И вот теперь предстояло решить новую.
Были созданы специальные аэродинамические трубы с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями потока. В них подверглась тщательному исследованию модели самолетов различной формы. В результате множества опытов было установлено, что при обтекании околозвуковым потоком модели самолета с толстым крылом большого удлинения (то есть имеющего большое отношение размаха крыла к хорде или, попросту говоря, ширине) около поверхности машины образуются обширные зобы со сверхзвуковой скоростью потока. В конце этих зон возникают сильные ударные волны, которые и оказываются источником большого дополнительного сопротивления, названного поэтому «волновым».
Похожие результаты ученые получили и при сверхзвуковых скоростях потока в трубе, если модель самолета имела тупую носовую часть и крылья были установлены под большим углом (так называемым углом атаки) к направлению потока. Более простыми оказались течения воздуха около тонких тел с заостренной носовой частью и около тонких крыльев с острой передней кромкой и малыми углами атаки.
Таким образом, было установлено, что обычные прямые крылья большого удлинения и большой относительной толщины (по отношению к ширине крыла), очень хорошие при малых скоростях полета, совершенно непригодны для самолетов с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями. Слишком велико их волновое сопротивление. Кроме того, при переходе к большим дозвуковым скоростям полета (вспомним пикирование) происходит резкое перераспределение давления воздушного потока на поверхности самолета, что сразу же ухудшает его управляемость и даже может вывести из повиновения летчику.
Этими недостатками, как выяснилось, почти не страдают тонкие стреловидные или треугольные крылья с малым удлинением. И чем большая предполагалась максимальная скорость самолета, тем большим должен был быть угол стреловидности, меньше удлинение и относительная толщина крыла. Так самолеты-цапли стали самолетами-ласточками, а точнее — застывшим изображением птиц в самой выгодной для данной скорости полета форме. Однако этой внешней аналогии не стоит придавать большого значения: ведь самой быстрой птице не угнаться за самым тихоходным самолетом, и тем более птицам никогда не узнать, что такое волновое сопротивление, рожденное сверхзвуковыми скоростями.
Итак, благодаря могучим современным двигателям и найденной совершенной форме крыла скорости самолетов на сегодня перевалили рубеж 3 тыс. км/час. А как будет дальше? Конечно, скорости будут расти, ведь техника не может стоять на месте, жизнь требует новых, более быстроходных самолетов. Ученые — аэродинамики и термодинамики — с уверенностью говорят, что наука уже дала ответ на то, какие скорости полета в авиации могут быть освоены в недалеком будущем. Называют цифры, превышающие скорость звука в 10–12 раз! Такие скорости длительного и экономичного полета в атмосфере могут дать в будущем, как считают зарубежные специалисты, прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Но одно дело наука, другое — практика. Пока что освоены скорости, равные только трем звуковым. Но уже при такой скорости появились проблемы, которые начинают всерьез волновать специалистов. Вот хотя бы посадка самолетов. Практика показывает, что с возрастанием максимальной скорости неизбежно увеличивается и посадочная. Сейчас она у некоторых самолетов стала превышать 250 км/час. Пришлось принимать специальные меры, чтобы обезопасить посадку. Однако, по мнению зарубежных специалистов, ни удлинение посадочных полос, ни использование тормозных парашютов не сняло определенной тревоги за каждый самолет, идущий на посадку с большой скоростью. Режим посадки находится уже на грани аварийного. Каков же выход из этого положения?
Ответ в общем-то давно известен. Уменьшить посадочную скорость можно, используя на посадке крылья дозвуковых самолетов, тех, что находятся в нижней части нашего графика. Но такие крылья, как мы уже говорили, для сверхзвуковых полетов совершенно неприемлемы. Они ведь должны быть стреловидными. А если объединить два этих качества в одно — сделать крыло с изменяющимся положением относительно самолета и потока воздуха? Подлетает, скажем, такой самолет к аэродрому, разворачивает, подобно птице, стреловидное крыло, делает его прямым и начинает планировать, совершая посадку с малой скоростью…
Идея создать крылья с изменяющейся в полете конфигурацией, вообще говоря, не нова. Однако зарубежные специалисты долгое время считали, что достигнутый уровень современной техники не позволяет осуществить надежную конструкцию такого крыла.
В последнее время в среде зарубежных военных специалистов не раз обсуждался вопрос о том, как создать самолет, который обладал бы одновременно качествами боевых машин разного назначения, например истребителя-перехватчика и тактического бомбардировщика. Однако истребитель должен обладать способностью длительно патрулировать в воздухе на самом экономичном режиме дозвукового полета и при необходимости резко набирать большую скорость, а бомбардировщик — иметь возможность на низкой высоте преодолевать на сверхзвуковой скорости зону действия наземных радиолокационных станций противника.
И все это, оказывается, возможно осуществить, если самолет уподобить соколу или орлу, которые раскидывают крылья и делают их прямыми при длительном полете— парении и складывают для стремительного броска на добычу. Проект такого самолета, «самого спорного в мире», как назвала его зарубежная печать, был разработан в США. Построен и опытный образец, известный под названием многоцелевого сверхзвукового истребителя-бомбардировщика F-111.
Максимальная скорость этого самолета составляет 2655 км/час на высоте 18,3 км. При взлете, патрулировании и посадке стреловидность его крыла минимальная — 16°, а размах крыла при этом равен 19,2 м. При крейсерском режиме полета стреловидность максимальная — 75,5° и размах — 9,7 м. Различные положения крыла F-111 показаны на рис. 7.
Во время одного из летных испытаний при умеренной скорости полета — 740 км/час посадочная скорость F-111 составила всего 125 км/час. В другом полете со скоростью 1900 км/час даже отказ тормозного парашюта, как сообщала печать, не помешал летчику произвести безаварийную посадку.
Некоторые из зарубежных специалистов считают, что крыльями с изменяющейся в полете геометрией будут обладать в будущем только многоцелевые самолеты, т. е. такие, которые способны решать несколько различных задач. Но есть и другие мнения, согласно которым подобные крылья будут иметь более широкое применение, например в сверхзвуковой транспортной авиации и даже на гиперзвуковых самолетах. Кстати, как сообщалось в печати, крыло с изменяющейся в полете геометрией собирается использовать фирма «Боинг» при постройке нового сверхзвукового транспортного самолета. Считают, что это позволит улучшить взлетно-посадочные характеристики и уменьшит необходимую длину взлетно-посадочной полосы.
А вот пример из арсенала сторонников первой точки зрения. Экспериментальный гиперзвуковой пилотируемый самолет Х-15А-2 имеет неподвижное прямое крыло. В том, что крыло сделано прямым, видно стремление конструкторов в какой-то мере облегчить посадку. Но крыло тонкое и имеет малое удлинение, а это уже дань большой сверхзвуковой скорости, так как этот самолет рассчитан на максимальную скорость 8800 км/час на высоте 30,5 км. Х-15А-2 снабжен ракетным двигателем и не может взлетать с земли. Он доставляется на определенную высоту самолетом-носителем. Однако садится машина по-самолетному, но с громадной посадочной скоростью (340 км/час, а по некоторым данным, и выше), требующей от пилота поистине циркового искусства в точности приземления.
Таковы вкратце некоторые проблемы, с которыми сталкивались и сталкиваются специалисты при конструировании новых самолетов больших сверхзвуковых скоростей. Однако как будут выглядеть будущие гиперзвуковые самолеты, сказать сейчас трудно. Этот вопрос находится еще, как мы видим, в стадии предварительных исследований и разработок. Большой отпечаток на внешнюю форму гиперзвукового самолета может наложить сложная проблема защиты конструкций от аэродинамического нагрева.
СЕКРЕТЫ СКОРОСТИ
Механика составляет древнейшую часть физики. Основы механики твердых тел и гидростатика разрабатывались еще Архимедом. Динамика жидких и газообразных тел куда моложе. Она зародилась как наука лишь в XVIII веке и действительно больших успехов добилась только в нашем столетии. Зато теперь ни один проект корабля, самолета, ракеты не может быть создан без учета законов гидро- или аэродинамики.
Этим-то ветвям могучего древа физики мы в значительной степени и обязаны тем, что живем в век больших скоростей. Взять, к примеру, авиацию. Она уже давно перешагнула звуковой барьер. А космические аппараты и ракеты преодолевают за один час десятки тысяч километров.
В кораблестроении пока еще результаты намного скромнее. Да это и понятно: ведь вода в 800 раз плотнее воздуха. Значит, во столько же раз больше и сила сопротивления, которая воздействует на движущееся в ней тело. Но и на воде можно получить высокие результаты, если подчинить всю конструкцию судна идее достижения рекордной скорости. За рубежом, например, был создан катер, который за час проходит более 440 км. Однако плавать он способен лишь в штилевую погоду, а его полезная нагрузка практически равна нулю.
Именно эти особенности таких судов и делают их непригодными для всех иных целей, кроме спортивных и исследовательских. Ведь грузоподъемность, например, имеет огромное военное значение. И здесь корабли, вообще говоря, находятся вне конкуренции. Так, если для ракет полезная нагрузка исчисляется несколькими тоннами, а для самолетов десятками тонн, грузоподъемность современных транспортных судов достигает многих десятков тысяч тонн.
Быстроходность, грузоподъемность и мореходность корабля неразрывно связаны друг с другом. Не удивительно, что получить желаемые тактико-технические данные конструкторы могут только в результате компромиссных решений. И не случайно, что современные эскадренные миноносцы капиталистических флотов имеют скорость 65–70 км/час, т. е. на 10–12 км/час меньшую, чем лучшие итальянские эсминцы 30-х годов. Эта уступка была сделана для того, чтобы улучшить мореходность, взрывостойкость, повысить прочность новых кораблей, оснастить их радиоэлектронной техникой, ракетным оружием.
Понятно, что это — временная уступка. Инженеры и ученые усиленно работают сейчас над тем, чтобы не только вернуть надводным кораблям потерянную скорость, но и повысить ее.
А вот скорости хода подводных лодок зарубежных стран за последние 20 лет уже возросли в два-три раза и достигают 50–55 км/час. Отдельные же опытные лодки способны развивать скорости свыше 60 км/час. Это значит, что современные корабли морских глубин по своим скоростным качествам вплотную приблизились к эскадренным миноносцам и фрегатам, составляющим ядро надводных сил противолодочной обороны.
Высокая скорость подводного хода составляет одно из ценнейших качеств подводной лодки. Она повышает вероятность перехвата целей, сокращает время, затрачиваемое на переход в район позиций, открывает возможности активных боевых действий, облегчает отрыв от кораблей противолодочной обороны. Но очевидно, не в меньшей степени значительная скорость хода нужна и надводным кораблям — основным соперникам и противникам подводных лодок.
Как же ученые и инженеры борются за скорость кораблей?
Существуют два главных направления улучшения скоростных качеств всякого корабля. Первое из них — повышение мощности его главных механизмов, второе — совершенствование гидродинамики корабля и прежде всего снижение его сопротивления.
Учитывая реальные возможности этих направлений, американские специалисты считают вероятным, принципиально возможным повышение скоростей хода атомных подводных лодок как максимум до 50 узлов (90 км/час). Полагают, что лодки со столь высокими скоростными качествами будут более всего походить на торпеды. На них уже не останется таких выступающих частей, как ограждение рубки или выходящие за обводы корпуса обтекатели гидроакустических станций, а их наружная обшивка приблизится по гладкости к полированной поверхности. Но даже при этих условиях будет необходимо еще и значительное повышение мощности энергетической установки.
Конечно, 90 км/час — это огромная скорость для водной среды. Но в иностранной печати можно встретить заявления, что в дальнейшем и она не будет считаться достаточной. Например, американский специалист-подводник Ч. Момсен считает, что лодки будущего должны обладать скоростью подводного хода 110 км/час и более. А в выступлениях других специалистов встречаются и такие цифры, как 130–165 и даже 185 км/час (100 узлов).
Какими же путями можно обеспечить подводным лодкам столь высокие скоростные качества? Ведь одним повышением мощности механизмов здесь не обойтись. Это подтверждается расчетами американских инженеров, которые показывают, что, например, для-достижения скорости в 110 км/час удельный вес ядерных энергетических установок должен быть не более 4 кг/л.с. Но в настоящее время по этим расчетам он выше в 12–15 раз, и лишь в перспективе ожидается его снижение вдвое-втрое. Следовательно, для выхода за рубеж 90 км/час нужно изыскивать принципиально новые способы снижения сопротивления.
Еще труднее решается проблема больших скоростей для надводных кораблей и судов. В отличие от глубоко погруженных подводных лодок, сопротивление движению которых обусловлено в основном силами трения воды о их обшивку, у надводных кораблей есть еще и так называемое волновое сопротивление. Дело в том, что с повышением скорости резко возрастает интенсивность вызванного движущимся кораблем волнообразования. Образовавшаяся система волн неотступно следует за кораблем, приводя к такому распределению сил давления воды по корпусу, которое сильно увеличивает его сопротивление. Вот почему даже возрастание мощности машин вдвое-втрое могло бы дать лишь 10—20-процентное приращение скорости корабля.
Таким образом, кораблестроители оказываются вынужденными искать «обходные маневры» и призывать в союзники не только гидродинамику, но и физику в широком смысле слова, чтобы «обмануть» природу и создать еще более быстроходные корабли.
Известно, что некоторые инженерно-физические задачи нередко лучше всего решаются в живой природе. Вот почему в поисках путей преодоления «барьера трения», стоящего на пути повышения скоростей подводных лодок, зарубежные гидродинамики принялись разгадывать некоторые «биологические секреты». И это не удивительно. Ведь считается, что отдельные разновидности дельфинов могут развивать скорость до 45 км/час, а меч-рыба — до 90 км/час. Но дело не только в абсолютных величинах скоростей. Ученые уже давно установили, что сопротивление дельфина, рассчитанное обычным для кораблестроения способом, оказывается примерно в 8—10 раз больше того, которое способна преодолевать мышечная система животного.
Это удивительное несовпадение, получившее название «парадокса Грея», объясняется по-разному. Некоторые ученые считают, что кожный покров дельфина благодаря своей гладкости и эластичности, обусловленным свойствами не только самой кожи, но и толстого жирового подслоя, гасит, или, как еще говорят, демпфирует возмущения в потоке воды, которые могли бы срывать ламинарный режим течения вблизи тела дельфина и переводить его в турбулентный. При ламинарном движении жидкости отдельные струйки — слои воды — текут параллельно, обтекая препятствие равномерными слоями (в отличие от турбулентного — вихревого, хаотичного движения). Известно, что при ламинарном, или слоистом, обтекании тела, когда слои жидкости не перемешиваются друг с другом, сопротивление трения пропорционально скорости в степени 1,5. При турбулентном режиме течения жидкость вокруг движущегося тела интенсивно перемешивается (рис. 8 — вверху), и сопротивление пропорционально почти что квадрату скорости. Правда, ламинарное течение неустойчиво, и для его поддержания необходимы особо благоприятные условия. Но ученые считают вполне вероятным, что при обтекании кожи дельфина такие условия как раз существуют.
Немецкий инженер М. Крамер, живущий сейчас в США, даже разработал специальное эластичное покрытие для торпед и подводных лодок, имитирующее основные свойства кожи дельфина. Оно делается из специальной резины и имеет внутренние полости, которые заполняются кремнийорганической жидкостью, заменяющей дельфиний жир. При опытах с относительно небольшими моделями подводных снарядов Крамеру удалось снизить их сопротивление на 50–60 %.
Но у идеи Крамера нашлись противники. Они утверждают, что для большого снижения сопротивления кожа дельфина должна быть не пассивным, а активным демпфирующим покрытием. Это значит, что ее эластичность сама по себе еще недостаточное условие для эффективной работы. Необходим и какой-то физиологический механизм регулирования податливости кожи. Так, профессор Пикар считает, что нервные окончания в кожном покрове морских животных улавливают изменения давлений, предшествующие переходу течения из ламинарного режима в турбулентный, и передают соответствующие сигналы в центральную нервную систему, которая регулирует надлежащим образом демпфирующую работу кожи. Такого же мнения придерживается американец Бетчов, считающий покрытие Крамера с пассивным демпфированием бесперспективным.
Рис. 8. Обтекание тела жидкостью. Турбулентное (вверху), оно может стать ламинарным, если при движении тела часть жидкости будет удаляться от пограничного слоя (внизу)
Встречаются также попытки отнести малое сопротивление дельфина за счет особого действия какой-то смазки типа рыбьей слизи, якобы выделяемой его кожным покровом. Но они оказались необоснованными. Ни дельфины, ни многие другие быстроходные представители подводного мира не имеют такой смазки. Более того, установлено, что слизистое покрытие характерно прежде всего для относительно тихоходных рыб, живущих в заиленных водоемах.
Есть и такие специалисты-гидродинамики, которые объясняют «парадокс Грея» тем, что большая часть тела дельфина участвует в создании той движущей силы, которая обеспечивает плавание его в воде с необходимой скоростью. Они принимают во внимание, что тело животного выполняет в одно и то же время функции «корпуса» и «движителя». А потому, по их мнению, неверно рассчитывать сопротивление дельфина таким же порядком, как сопротивление корпуса корабля.
Для повышения же скоростей подводных лодок они предлагают снабдить их многокамерной резиновой оболочкой поверх обычного корпуса и поочередно подавать в секции этой обшивки воздух с одновременной откачкой его из других секций. Так будет создана бегущая по поверхности корпуса волна, имитирующая изгибные движения тела морского животного, с помощью которых и создается движущая его «сила упора».
Наконец, некоторые биологи сомневаются в достоверности имеющихся данных о максимальной скорости дельфинов и утверждают, что при длительном движении она обычно не превышает 18–20 узлов. Не отрицая того, что в отдельных случаях дельфины могут плыть и быстрее, они считают это возможным лишь за счет весьма кратковременного перенапряжения мышц, к которому способны в определенных обстоятельствах и другие животные.
Различные истолкования одного и того же явления говорят о том, что настоящий ключ к «тайне дельфина» еще не найден. Однако специалисты биологи и гидродинамики уже серьезно принялись за изучение секретов больших скоростей в животном мире.
Возможны и другие способы сохранения ламинарного режима обтекания подводных тел. Они основаны на удалении или отсосе из потока, обтекающего тело, некоторой части жидкости из области, непосредственно прилегающей к обшивке. Эта часть потока называется в гидродинамике «пограничным слоем». Основные физические явления в этой области течения изучает специальная наука — теория пограничного слоя. Именно в пограничном слое в результате возмущающего действия движущегося тела и происходят явления, которые срывают ламинарное течение. Отсос уменьшает толщину слоя и удаляет из него наиболее возмущенные движущимся телом массы жидкости, что способствует сохранению ламинарного обтекания (рис. 8 — внизу).
Сообщалось, что американские специалисты исследуют возможность ламинаризации обтекания скоростных торпед путем отсоса пограничного слоя через пористую обшивку. Правда, есть опасения, что мелкие поры будут засоряться взвешенными в морской воде минеральными частицами и планктоном. Для исследования особенностей отсоса в натурных условиях ведутся исследования на специальном опытовом судне. Ч. Момсен считает принципиально возможным применение такого способа ламинаризации и на подводных лодках. Ожидают, что применение отсоса повысит скорость хода при неизменной мощности механизмов в 1,5 раза.
Но не только отсосом можно уменьшать сопротивление. Ряд поставленных в США опытов говорит и об эффективности введения в пограничный слой так называемых «неньютоновских жидкостей». К их числу относятся водные растворы полимерных веществ, обладающих высоким молекулярным весом. Например, раствор даже относительно слабой концентрации (менее 0,2 %) при введении его в пограничный слой подводного тела способен снизить сопротивление в 2,5 раза, что ведет к значительному увеличению скорости. Такое действие полимеров объясняется тем, что в них действие сил трения подчиняется иным, чем для воды, законам из-за иной структуры и другой ориентации молекул этих веществ. В изучении подобных процессов гидродинамика тесно переплетается с молекулярной физикой.
Некоторые из отмеченных здесь идей уже проходят экспериментальную проверку в натурной водной среде. Например, бюллетень «Интеравиа эйр леттер» сообщал о проходивших в США испытаниях подводных самоходных снарядов «Дельфин-1» и «Дельфин-2». Сопротивление их удалось понизить примерно вдвое за счет применения одной из систем управления пограничным слоем. Так, «Дельфин-2» развивал скорость до 110 км/час (60 узлов).
Испытывалась также торпеда с системой подачи в пограничный слой раствора полимера. По данным журнала «Дейта», при работе этой системы скорость торпеды возросла за три секунды на 45 %.
Проверялись и другие, менее плодотворные идеи. Так, многие зарубежные изобретатели предлагали покрыть подводные части корпуса гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Но проведенные эксперименты не обнаружили снижения сопротивления.
Излюбленная идея изобретателей — применение «воздушной смазки», т. е. создание воздушной прослойки между днищем корабля и водой. Долгое время этот способ уменьшения трения не давал желаемых результатов, и лишь совсем недавно голландским конструкторам удалось заметно снизить сопротивление модели транспортного судна. Ожидается, что новая схема будет вскоре испытана на натурном корабле.
Изобретатели предлагали также нагревать жидкость в пограничном слое, применять для обшивки различные обмазки, выделяющие газовые пузырьки при контакте с водой, и т. п. Однако ни одна из этих идей еще не оправдала себя даже в опытах.
Особые варианты «воздушной смазки» разрабатываются для подводных лодок. Так, американский инженер Эйхенбергер предложил создать подводный снаряд или подводную лодку с резко уменьшенным сопротивлением трения (рис. 9). Этот эффект достигается созданием между обшивкой корпуса и водой тонкой воздушной прослойки с замкнутой циркуляцией воздуха.
За головной частью такого снаряда имеется щель (1), служащая для отсоса воды, с тем чтобы, как считает изобретатель, не допустить формирования турбулентного (вихревого) пограничного слоя. Затем следует щель (2), через которую подается воздух для образования воздушной прослойки. Той же цели служат и щели, расположенные на днище тела. Внутри прослойки воздух будет перемещаться вверх, что повлечет за собой неравномерное распределение толщины прослойки по обводу тела. Чтобы помешать перетеканию воздуха, на боковой поверхности тела с каждого борта имеются выступы, не соприкасающиеся с водой.
Из рисунка видно, что тело предлагаемой конструкции опирается на воду лишь носом и кормой, а вся средняя часть обтекается тонким слоем воздуха. Для возможно большего снижения сопротивления Эйхенбергер считает необходимым, чтобы течение воздуха было ламинарным. Насколько трудно решить эту задачу, видно хотя бы из того, что воздушная прослойка для торпеды, удовлетворяющая этому условию, должна иметь толщину не более 0,3 мм. Кроме того, как показали опыты, искусственно вентилируемые полости такого типа при движении пульсируют и деформируются. Значит, потребуются какие-то дополнительные решения для преодоления этих трудностей.
Каков простейший способ снижения волнового сопротивления, мешающего повышению скоростей надводных боевых кораблей? Он заключается в увеличении относительного удлинения корабля. Сильно заостренные корпуса с отношением длины к ширине около 20 вместо обычных 10–12 обладают малым волновым сопротивлением. Но такие корабли никто не строит: у них плохая остойчивость. К тому же они были бы очень тяжелыми, ведь длинные корпуса требуют конструкции повышенной прочности.
Кораблестроители предпочитают «обманывать» природу другим путем. Например, придают подводной части носа корабля бульбообразную форму. Бульб размещается таким образом, чтобы его волновая система, накладываясь на волновую систему всего корабля, уменьшала высоту волн, снижая тем самым волновое сопротивление, т. е. в данном случае умело используется хорошо изученное физикой явление интерференции двух волновых систем (интерференция — взаимное усиление или ослабление волн звуковых, световых, тепловых, электрических при их наложении друг на друга). Такие бульбы нашли применение в ряде стран на больших надводных судах со скоростью около 45–50 км/час. Правда, в этом случае «волновой барьер» не преодолевается, а лишь отодвигается в область более высоких скоростей.
Самыми результативными способами преодоления «волнового барьера» считаются два (рис. 10). Надо либо погрузить корабль под воду, т. е. превратить его в подводную лодку, либо, наоборот, поднять его из воды. Первый способ становится выгодным только при скорости примерно 40 км/час и более. Но преобладающее значение имеют экономические соображения. Ясно, что такие транспорты были бы очень дорогими, поэтому все проекты подобных судов до сих пор остаются лишь на бумаге. Зато широкое применение нашел второй способ, выразившийся в создании быстроходных кораблей на подводных крыльях. Весь корпус такого корабля при плавании полным ходом выходит из воды. Под водой остаются лишь несущие корабль крылья и движители-винты.
Размеры подводного крыла небольшие (здесь высокая плотность воды идет на пользу делу), а раз оно довольно сильно углублено в воду, то и его волновое сопротивление невелико. Но движение на крыльях становится выгодным при еще большей скорости, чем плавание под водой, и для прихода в зону выгодных для крылатых кораблей ходовых режимов необходимо также повышать мощность механизмов. Сейчас максимальная скорость кораблей на подводных крыльях достигает 80–90 км/час, в будущем ее предполагается довести до
170—200 км/час. Разумеется, создание кораблей с такими скоростными характеристиками без применения новых решений было бы просто невозможным. Однако мощные механизмы и крыльевая система сокращают более чем вдвое относительную полезную грузоподъемность кораблей, иными словами, в значительной степени лишают их важнейшего преимущества перед другими средствами транспорта. С увеличением водоизмещения вес крыльевой системы прогрессивно возрастает. В этом причина, что даже в проектах еще не встречаются крылатые корабли водоизмещением более 300–400 т.
Крылатым кораблям не уступают по скоростным качествам корабли на воздушной подушке, которые полностью отрываются от воды и парят над ней на небольшой высоте. Мощные вентиляторы нагнетают воздух под их корпус, имеющий вид перевернутого блюдца. Это не дает судам опускаться на воду, а их движителями служат воздушные винты. Такие корабли могут одинаково хорошо двигаться как над водой, так и над сушей, что делает их отличным средством для проведения десантных операций. Но и они имеют недостатки — прежде всего малую грузоподъемность, недостаточную мореходность.
Таковы некоторые необычные пути решения проблемы больших скоростей в кораблестроении. Отдельные из них изучены еще относительно слабо и нередко производят впечатление фантастических предложений. Для их практической реализации придется преодолеть огромные трудности как теоретического, так и технологического характера. Возможно, что интерес к некоторым из описанных предложений специально раздувается капиталистическими фирмами в чисто рекламных целях, а потому трудно ожидать, что все эти идеи обязательно будут воплощены в жизнь.
Интересен уже сам факт обращения специалистов-кораблестроителей не только к гидродинамике и физике в более широком смысле, но и к смежным областям науки, в том числе к биологии, в поисках решения этой проблемы. Он свидетельствует о критическом положении, создавшемся за рубежом в этой области. Не исключено, что для разрешения «кризиса скорости» потребуется создать даже такие корабли, которые не будут пассивно обтекаемыми водой телами, а смогут активно воздействовать на окружающие их массы воды и регулировать протекающие в них физические процессы для снижения сопротивления.
Уместно также заметить, что современные советские боевые корабли и транспортные суда не только не уступают лучшим заграничным образцам, но во многом их превосходят. Именно в СССР были созданы первые корабли на воздушной подушке и наиболее совершенные суда на подводных крыльях. Военно-Морской Флот СССР и советский торговый флот имеют новые быстроходные корабли, которые гордо несут флаг нашей Родины по морям и океанам всего мира.
ЧЕГО НЕ ЗНАЛ АРХИМЕД
Давайте заглянем в школьный учебник физики. Почти на каждой его странице — знакомые рисунки, формулы. Книга чем-то напоминает музей. Музей тех великих открытий, которые теперь уже стали прописными истинами, словно бы вещами повседневного обихода. Даже нет, кажется, большой разницы в том, когда сделаны эти открытия. И теорема Жуковского о подъемной силе крыла, выведенная ученым в начале нашего столетия, и закон о плавании тел, открытый Архимедом в третьем веке до нашей эры, вошли в школьные программы. А это значит, что все такие закономерности изучены, как говорят, вдоль и поперек и добавить к известному вроде бы нечего.
Однако история показывает, что академическое спокойствие разгаданных истин время от времени нарушается. Познанные законы природы нет-нет да и получают новое преломление в техническом творчестве человека, делают его еще более могущественным. Не думал же Архимед, что его закон о плавании тел в воде потребуется когда-нибудь для создания аппаратов, плавающих в воздухе, — аэростатов или дирижаблей. Любопытно отметить, что только через две тысячи лет после смерти Архимеда начал строиться первый управляемый аэростат, который получил название дирижабля. Это произошло в России, в дни, когда на территорию страны вторглись полчища Наполеона. Дирижабль предназначался для обстрела и бомбардировки вражеских войск.
Не знал Архимед и того, что открытая им «поддерживающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость», не будет вечно существовать в одиночку, что у нее появится могущественная союзница — подъемная сила и что ее даст — кто бы мог подумать! — обыкновенное птичье крыло.
Вряд ли и сам «виновник» этого интересного события в истории техники — Н. Е. Жуковский подозревал, что его теорема о подъемной силе крыла сравнительно скоро понадобится судостроителям. Правда, ученый доказал свою теорему для жидкости, или, точнее сказать, для идеальной жидкости (то есть несжимаемой и не имеющей вязкости), которая одинаково хорошо (в известных пределах) сочетает свойства воздуха и воды.
Одним из важных показателей технического прогресса общества, пожалуй, можно считать время, которое проходит от разработки научной теории до создания орудий труда или средств вооружения, всесторонне использующих эти достижения науки. Двадцать веков потребовалось, чтобы закон Архимеда обрел новую жизнь в воздухоплавании, и меньше полвека понадобилось, чтобы крыло Жуковского погрузили в воду.
Известно, что самый дешевый транспорт — водный. Но он и самый тихоходный. Борьба за увеличение скорости судов — это не только борьба за экономичность, но и борьба за более высокие боевые, тактические качества. Однако всякое увеличение скорости надводных судов повышает и сопротивление корпуса. А если каким-то образом максимально вытащить корпус из воды? Ведь сопротивление его в воздухе во много раз меньше, чем в воде. Так-то и родилась идея ввести под воду крылья, которые благодаря своей подъемной силе, образующейся при движении судна, выталкивают вверх его тяжелый корпус. И скорость судов буквально скачком возросла в 1,5–2 раза.
Так появились и сразу получили бурное развитие суда на подводных крыльях. Особенно большие успехи в этом, как известно, достигнуты в Советском Союзе. Строят суда на подводных крыльях и за рубежом. Иностранные специалисты попытались использовать этот принцип для создания специальных военных судов, и в частности малых морских противолодочных кораблей. Однако выход их на морские просторы, как сообщалось в зарубежной печати, потребовал решить проблему повышения устойчивости хода на морских и океанских волнах. Это осуществляется путем создания специальных крыльевых систем с автоматическим регулированием их угла атаки в зависимости от характера волны. Такими устройствами обеспечен, в частности, малый противолодочный корабль «Хай Пойнт» (рис. 11). Как сообщалось в печати, большие суда на подводных крыльях еще не созданы, самые крупные имеют водоизмещение не более 300 т. Однако эти суда прельщают специалистов своими высокими скоростными качествами. Скорость «Хай Пойнт», например, 40 узлов (около 75 км/час), а другого противолодочного корабля «Плэйнвью» — 60 узлов.
Оказалось, что подъемную силу крыла можно с большой выгодой использовать и для подводного плавания. Первыми начали применять крылья в подводной технике конструкторы торпед. Известно, что торпеда, как и подводная лодка, обладает нулевой плавучестью. Это значит, что она, согласно закону Архимеда, вытесняет столько воды, сколько весит сама. А если построить торпеду с отрицательной плавучестью, т. е. вес ее сделать больше, чем вес вытесненной воды, и недостающую выталкивающую силу компенсировать подъемной, которую во время движения создадут специальные крылья? Выяснилось, что в этом случае можно повысить скорость, дальность хода и глубину погружения торпеды.
Как сообщалось в зарубежной печати, скорость одной из проектируемых крылатых торпед должна быть на 14 узлов выше скорости обычной. Кстати, и крылья для торпед, имеющих довольно большую отрицательную плавучесть, оказались невелики. При расчетной скорости 55 узлов и дальности хода 18 км длина крыльев 533-мм торпеды не превысит 9 см, а хорда, т. е. ширина крыла, будет чуть больше 7 см. Такие малые размеры получаются из-за того, что плотность морской воды примерно в 800 раз выше плотности воздуха. А так как плотность входит в формулу подъемной силы крыла (как и скорость потока, и площадь крыла), для создания одинаковой подъемной силы при одной и той же скорости площадь крыла в воде должна быть в 800 раз меньше, чем в воздухе.
Дальность хода крылатых торпед по сравнению с обычными, как считают зарубежные специалисты, может быть увеличена в три раза. Это объясняют тем, что в том же объеме корпуса можно теперь разместить более эффективное, но в то же время более тяжелое топливо, а также ставить и более мощные двигатели, которые при прежних размерах могут иметь существенно больший вес. Особенно это преимущество сказывается при движении торпед на высоких скоростях. Так, при скорости более 60 узлов величина отрицательной плавучести (т. е. тот самый «лишний» вес, который несет на крыльях торпеда) уже почти не сказывается на ее движении, так как гидродинамические силы, куда входит и подъемная сила крыльев, существенно преобладают над гидростатическими.
Большие возможности, как считают зарубежные специалисты, дает применение крыльев для увеличения глубины погружения торпед, которое необходимо для атаки глубоководных подводных лодок. Подсчитано, что при одной и той же прочности материала корпуса глубина погружения торпеды прямо пропорциональна толщине обшивки, т. е., по существу, весу корпуса. А он, как известно, составляет примерно 20 % от полного веса торпеды. Значит, если в два раза увеличить вес корпуса или, что то же самое, увеличить на 20 % отрицательную плавучесть торпеды, можно удвоить глубину ее погружения. Повышение же веса для крылатых торпед существенного значения, как мы видели, не имеет. На рис. 12 показаны общий вид крылатой торпеды, ее предполагаемые дальность и глубина хода (2) в сравнении с характеристиками обычной торпеды (1).
Обратили пристальное внимание на возможности плавания под водой с отрицательной плавучестью и конструкторы подводных лодок. Однако до последнего времени их останавливало одно существенное обстоятельство. Если самолет при выходе из строя двигателя может совершить вынужденную посадку или летчик просто покинет машину, спасаясь на парашюте, остановка двигателя подводной лодки с отрицательной плавучестью неизбежно приведет к тому, что она провалится на большую глубину и будет раздавлена давлением воды. У торпедистов такой проблемы нет. Выход двигателя из строя в боевых условиях означает, что торпеда до цели не дойдет, а если уж это произошло, разрушение ее давлением воды на большой глубине значения не имеет.
Считают, что с появлением более надежных атомных двигателей к этой проблеме уже можно подступиться. Некоторые зарубежные специалисты выдвигают даже конкретную идею создания маленьких крылатых подводных лодок с отрицательной плавучестью, которые действовали бы с палубы большой подводной лодки-носителя. По существу, это уже должен быть подводный авианосец с подводными самолетами. Так опыт аэродинамики пытаются перенести в гидросферу.
У читателя может возникнуть вопрос: ну, хорошо, лодка с крыльями, но под водой — это естественно, а возможно ли, чтобы она, обладая крыльями, порывала, когда необходимо, с водной стихией и совершала полет в воздухе? Иными словами, может ли подводная лодка летать, как самолет?
Попробуем разобраться в этой проблеме.
В самой идее создания летающей подводной лодки вроде бы и нет ничего особенного. Ведь есть же птицы, которые ныряют и плавают под водой, в океане живут рыбы, способные парить в воздухе. Однако когда такой своеобразный гибрид — летающий и плавающий — задумали создать зарубежные военные специалисты, они столкнулись с немалыми трудностями.
Первый вопрос, который предстояло решить: что строить — погружающийся самолет или летающую лодку? Попробовали взять за основу гидросамолет — ведь он уже приспособлен для плаваний. И тут обнаружилось важное обстоятельство: по весу гидросамолеты близки к сверхмалым подводным лодкам, а по объемному водоизмещению к другому подклассу — малым лодкам. Таким образом, выяснилось, что в самолете не соблюден самый главный принцип подводного плавания, вытекающий из закона Архимеда, — равенство весового и объемного водоизмещения.
Поделиться книгой: