Беседы о бионике

Рис. 5. Экспериментальный 'лунопроходец'

По сообщениям американской печати, одна фирма в прошлом году разработала проект машины, которая по внешнему виду и способу передвижения напоминает паука. "Металлический паук", которого мы видим на рис. 5, имеет четыре шарнирные "ноги" длиною более 2 м каждая. "Ноги" несут кабину, в которой находится человек. Водитель с помощью рычагов, прикрепленных к его рукам, ногам и торсу, управляет перемещением кабины. При этом он пользуется услугами серводвигателей, которые точно воспроизводят все его движения и увеличивают прилагаемую мышечную силу во много раз. Ноги водителя управляют "задними ногами" "металлического паука", руки — его "передними ногами". При остановке машина "становится на колени", опуская кабину на грунт. Чтобы стать водителем "металлического паука", не нужны курсы — таким шоферам достаточно пятиминутного обучения.

Такая машина будет, как полагают ее создатели, идеальным средством для передвижения по бездорожью Луны или других планет. Груз в 200 кг она сможет переносить по пересеченной местности со скоростью около 10 км/час. Способность передвигаться на согнутых ногах очень расширит приспособительные возможности "лунного паука". Он сможет легко преодолевать подъемы в 45°, в наиболее труднопроходимых местах идти лучше собачьей упряжки, не говоря уже об обычных вездеходах, а тем более о колесных машинах. Пока создана только упрощенная модель шагающего лунного вездехода. Ей еще очень далеко до такой совершенной биологической системы, какой является паук. Но когда бионики познают тайну механизма гидропривода паука и воплотят ее в металл, шагающий вездеход станет замечательным помощником космонавтов в исследованиях неизвестных нам миров.

Попробуем представить себе, как будет выглядеть будущий "лунный паук" — вездеход. Кабина космонавтов герметична и имеет отсек, служащий шлюзом для выхода космонавтов на поверхность Луны. С помощью специальных манипуляторов космонавты могут доставать образцы пород с поверхности Луны, не покидая кабины. Для непосредственных наблюдений за лунной поверхностью передвижная лаборатория снабжена двумя окнами. Из-за отсутствия на Луне рассеянного света предметы, находящиеся в тени, остаются невидимыми. Поэтому "лунный паук" оснащен мощными прожекторами. В системах управления и навигации лаборатории широко используется телевизионная система. С ее помощью будут проводиться исследования лунной поверхности. Но самое главное — ученые наземного центра управления лунной экспедицией смогут видеть на экранах телевизоров то же, что видят космонавты, и смогут контролировать их работу, а в случае необходимости — давать советы относительно маневров лаборатории, исследования различных объектов и т. д.

Подвижная лаборатория, согласно существующим проектам, будет доставлена на Луну заблаговременно (до высадки космонавтов) непилотируемым космическим аппаратом. Лунная кабина с космонавтами на борту совершит впоследствии посадку вблизи лаборатории; при помощи дистанционного управления последнюю приблизят к лунной кабине, и космонавты перейдут в нее.

Теперь — за работу.

Луна создана из того же "теста", что и Земля, из тех же химических элементов. И недра ее таят колоссальные запасы полезных ископаемых. Лунные геологи откроют богатые месторождения серы в трещинах вулканов. Там возможны скопления вулканических пород, богатых свинцом, цинком, хромом и другими промышленно ценными элементами. Размеры нашего соседа достаточно внушительны, и надо полагать, что в его недрах сформировались и алмазы. Когда-нибудь огромный лунный бриллиант заблестит в руках космонавта-геолога...

Вместе с будущими исследователями Луны и других планет от биоников ждут новых машин и покорители "космоса № 2" (так иногда называют земные недра).

Общеизвестен миф, согласно которому при дележе вселенной между богами подводное царство досталось Нептуну, подземное — Плутону. У входа в свои владения сумрачный Плутон поставил громадного трехглавого пса Цербера. Свирепый страж должен был оберегать от простых смертных тайны обиталища теней. Но не тут-то было. Нашелся смельчак — это был знаменитый силач Геркулес, — который победил страшное чудовище и вступил в единоборство с Плутоном. В этом античном мифе отражены наивные представления той эпохи о таинственном мире, расположенном у нас под ногами, и мечты о его покорении человеком.

Минули тысячелетия. На смену мифам, легендам и сказкам пришли научные представления геологии и геофизики. В поисках угля и урана, золота и алмазов человек с помощью построенных им машин вдоль и поперек изрыл покров царства Плутона гигантскими коридорами. Все глубже и глубже ввинчиваются в землю стальные сверла, снабженные алмазными "зубами". Более далекие от поверхности складки земной коры геофизики инспектируют волнами искусственных землетрясений, отзвуки которых воспринимаются чувствительными приборами — сейсмографами. Изучение выброшенных вулканами газов, паров и лавы, определение их состава и относительного содержания разных химических элементов дополняет наши сведения о строении земных недр. И тем не менее подземный мир до сих пор окутан покровом таинственности.

Что мы знаем о резиденции Плутона? В сущности, очень мало. Спустившись на дно глубочайшей шахты мира, вы очутитесь всего в 2,5 км от поверхности земли. Втрое глубже удалось проникнуть бурильщикам нефтяных скважин. Таким образом, в масштабах нашей планеты досконально изученный слой земной коры не превышает по своей толщине слоя краски на глобусе. А дальше — неизвестность. "Космос № 2" — пока еще белое пятно в науке.

Не потому ли писатели-фантасты так оседлали неисчерпаемую тему покорения "подземного космоса"? Они давно уже пробурили Землю насквозь во многих местах с помощью "ракеты-бура" (раскаленной струи газа с температурой более 3000° Ц), специальных ампул со взрывчаткой, подземохода с атомным реактором и т. п.. Однако в реальной жизни дело с землепроходными машинами обстоит несравненно хуже, чем на страницах научно-фантастических романов и повестей.

Подавляющее большинство применяемых ныне землепроходных машин не удовлетворяет потребителей своей производительностью, эксплуатационной надежностью и другими параметрами. Можно без преувеличения сказать, что землепроходных машин, достаточно простых, удобных и прочных, к сожалению, пока еще нет. Они существуют лишь в живой природе. Здесь, если внимательно присмотреться, можно увидеть не одну "землеройную машину", доведенную в процессе эволюции после многовекового отбора до самой высокой степени совершенства. Эти живые "землеройные машины" и служат ныне объектом изучения биоников.

Для копирования в технических системах наибольший интерес представляют приспособления, которыми снабжены личинки почвообитающих насекомых для прокладывания ходов в почве. Природа наделила их хорошо развитым аппаратом для рыхления или раздвигания частиц грунта и специальными приспособлениями для фиксации положения тела.

У одних видов рыхлящие органы располагаются на переднем конце тела и работают как клин и отбойный молоток (при этом отгребание измельченного субстрата осуществляется другими органами); у других — рыхлящий и отгребающий аппараты объединены в систему типа сложного скребка, действующего как одно целое, что характерно для личинок и ряда насекомых с гипогнатическим расположением ротового аппарата, а также для личинок, обитающих в почве или древесине (роль скребка у них играет ротовой аппарат и нижняя поверхность головы). Раздвигание частиц грунта производится либо гидравлическим способом, либо с помощью расширенных, ножницеобразно двигающихся челюстей; функции опорных приспособлений для фиксации положения тела выполняют либо одно или два острия, расположенных на заднем конце тела в плоскости приложения сил рыхлящего аппарата, либо значительное число подушковидных образований, покрытых множеством мелких шипов (эти образования тесно прижимаются к стенкам хода, точно повторяя их неровности).

Тщательное изучение приспособлений, которыми снабжены личинки насекомых для прокладки ходов в почве, и их моделирование может оказать большую помощь при создании новых рыхлящих и движущихся под землей агрегатов (угольные комбайны, приспособления для кротового дренажа и др.).

Приведем еще один пример возможного моделирования оригинальной живой "землеройной машины". Речь идет о копировании весьма совершенного способа передвижения во влажном грунте червей приапулид. Эти крошечные беспозвоночные животные (длиной 10 — 15 мм), живущие неглубоко под морским дном, являются непревзойденными мастерами по прокладке каналов. В своих "туннельных работах" они используют преимущественно гидравлический способ передвижения. Основным буровым инструментом приапулид служит короткий и мощный, похожий на усеянный шипами кактус, выбросной хоботок (на нем размещено более 1500 шипиков). Тело червя снабжено небольшим количеством продольных и кольцевых мышц, а также специальными механизмами, препятствующими обратному движению приапулид в грунте. Технология прокладки туннеля такова. Упираясь в грунт, червь при помощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся поступающей из тела жидкостью, приапулида расширяет и обжимает ход. Расширив и обжав отверстие, червь подтягивается. В это время хоботок сжимается, убирается внутрь, и начинается следующий цикл проходки. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный вес. Ученые подсчитали, что червячок весом до 2 г развивает усилие, в 40 раз (!) превышающее его собственный вес. И вот еще что весьма любопытно. Зоологи полагают, что, вонзив с силой свой хоботок во влажный морской грунт, червь затем поворачивает хоботок на некоторый угол. Таким образом, хоботок с насаженными на него многочисленными шипами работает, как бур.

Ну разве не достойна подражания такая великолепная "гидравлическая машина" для прокладки каналов в грунте? Ведь ее механизм природа оттачивала веками!

Не останутся, конечно, бионики в стороне и от решения такой увлекательной проблемы, как создание подземного корабля для путешествия к центру Земли, для поисков неразведанных богатств — руд, нефти, алмазов. Недавно оригинальную конструкцию "подземо-хода" разработал советский инженер А. Требелев. При расчете своей машины он всесторонне изучил методы "работы" крота — признанного рекордсмена подземных проходок. Модель "железного крота" успешно прошла первые испытания.

Многое могут позаимствовать у природы и судостроители, это поможет им в коренном усовершенствовании существующих и создании новых средств водного транспорта. Ведь ни для кого не секрет, что под натиском более скоростных соперников водный транспорт постепенно утрачивает свои былые позиции. Достаточно сказать, что даже на трансконтинентальных линиях, где еще совсем недавно он считался монополистом, сегодня почти 65% пассажиров отдает, предпочтение авиации и лишь оставшиеся 35% путешествуют на борту океанских лайнеров. Это — закономерное явление: в то время как реактивные самолеты несут пассажиров со скоростями 800 — 900 км/час, могучие корабли меряют океан с "черепашьими" скоростями 50 — 60 км/час. Хороший клипер XIX века мало уступает по скорости самому современному океанскому лайнеру! И всему виной огромное сопротивление, которое испытывают погруженные в воду корпуса судов.

По мере роста скорости это сопротивление увеличивается сначала пропорционально ее квадрату, но затем растет быстрее — пропорционально третьей, четвертой и даже пятой степени скорости. Здесь уже нельзя говорить о борьбе за скорость путем увеличения мощности двигателей: для этого двигательная установка должна была бы занимать весь корабль. Правда, благодаря появлению подводных крыльев, поднявших корпуса судов над водной поверхностью, судостроителям удалось преодолеть заветный рубеж крейсерской скорости на воде, равный 100 км/час. Но корабли на подводных крыльях не до конца избавлены от контакта с водой, а главное, по мере роста размеров судов они заметно утрачивают свои высокие качества.

Неужели же ученые бессильны вырвать корабль из плена воды, победить в единоборстве со стихией, оказавшейся самой неподатливой? Нет, не бессильны!

Изучив особенности строения многих обитателей морей и океанов, обеспечивающие им высокие гидродинамические качества, человек может положить в основу конструкции различных плавающих аппаратов новые принципы. Сошлемся на факты.

После длительных наблюдений и исследований японский ученый профессор Тако Инуи сначала предположил, а затем опытным путем на специально изготовленной модели пассажирского парохода "Куренаи Мару" доказал, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в воде, нежели ножевидная форма носовой части современных судов. Этим открытием не замедлили воспользоваться кораблестроители. Они построили океанское судно, напоминающее по своей форме кита. Первые же испытания показали, что по сравнению с обычными судами китообразный корабль весьма экономичен. Мощность его двигателей на 25% меньше, а скорость и грузоподъемность те же!

А вот еще один не менее поучительный пример. Одна из американских подводных лодок носит название "Скипджек". Форма корпуса подводной лодки в точности такая же, как у тунца (рис. 6). Конструкторам удалось добиться хорошей обтекаемости корпуса лодки и значительно повысить ее скорость, а главное — создать очень поворотливое судно. (Поворотливостью называют способность судна к быстрому изменению направления. Это очень важное свойство: ведь большому кораблю для разворота требуется описать полуокружность с радиусом по крайней мере в 4 — 5 длин корпуса.)

Рис. 6. Американская подводная лодка 'Скипджек'. Форма корпуса подводной лодки точно такая же, как и у быстроходной рыбы тунца

Очень часто мы говорим: "плавает, как рыба". Однако это определение весьма неточно, потому что рыбы плавают по-разному. Угри и миноги, например, большой скорости не развивают. Лучшими пловцами среди рыб считаются жители открытых морских просторов — лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со скоростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36 — 42 км/час. Не уступают им в скорости и некоторые морские млекопитающие. Кит, в частности, свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но все эти рекорды побивает рыба-меч. С завидной легкостью она может развивать скорость, достигающую 130 км/час.

Откуда у рыбы такие силы? Или, быть может, здесь дело не столько в силе, сколько в особом умении?

Эту загадку пытался разгадать не один ученый в течение последних 40 — 50 лет. Были проделаны сотни экспериментов, но проверить, наглядно зафиксировать механизм движения рыбы в воде, установить характер образующихся водяных потоков, вычислить сопротивление, испытываемое движущейся в воде рыбой, силу тяги и мощность, развиваемые ею, так никому и не удалось. Общепризнанным до последнего времени было лишь одно — рыбы передвигаются под водой за счет движений хвоста и отчасти плавников.

Рис. 7. Завихрения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы

И вот совсем недавно секрет скоростного перемещения рыб раскрылся самым неожиданным образом. По сообщению журнала "Мэшин Дезайн" был поставлен такой опыт. Рыб пустили в аквариум, наполненный не водой, а молоком. Молоко позволило проследить движения рыбы, возмущения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы (рис. 7). Было установлено, что при каждом ударе хвоста образуется некоторое возмущение жидкости у жабр, а никак не у хвоста рыбы, как думали раньше. Но это еще не самое главное. Оказывается, что основная "движущая сила" возникает при колебательных движениях туловища рыбы. Животное скользит вдоль пришедших в движение слоев жидкости, и они на глазах превращаются в маленькие "водовороты" — завихрения с вертикальной осью вращения. Когда рыба скользит мимо этих возмущений, они закручиваются еще сильнее и увеличиваются в размере. Когда хвост рыбы по касательной проносится по завихрению, рыба как бы вбирает в себя всю накопившуюся там кинетическую энергию вращения. Создается впечатление, будто рыба плывет, отталкиваясь от водоворотов, что завихрения как бы выталкивают ее вперед. Правильность этих предположений была проверена еще на одном простом, но весьма остроумном опыте. Известно, что, если пойманную в реке рыбу бросить на берег, она будет подпрыгивать и биться о землю. Но вот вбили в доску два ряда гвоздей на одинаковом расстоянии друг от друга и положили рыбу между ними (рис. 8). И она "поплыла" посуху(!), отталкиваясь корпусом и хвостом от гвоздей, словно от водоворотов. Сходство прямо-таки поразительное!

Рис. 8. Форель 'плывет' по доске, в которую в определенном порядке вбиты гвозди. Телом и хвостом рыба упирается в гвозди совершенно так же, как она 'опирается' в воде на завихрения

Ученые полагают, что установленные ими факты могут оказаться весьма полезными при конструировании кораблей. Уж очень заманчива перспектива создания судов, особенно подводных, способных двигаться в воде с легкостью рыбы. Эта проблема сейчас волнует не только кораблестроителей и гидродинамиков, но и биологов, биофизиков и биохимиков. Эта сложная и интересная задача увлекла и математиков.

Однако многие специалисты утверждают, что подводный аппарат, использующий принцип плавания рыб, не сможет развивать скорость, большую 30 узлов[1]. Опыты показали, что при любой попытке плыть быстрее коэффициент полезного действия плавательного аппарата начинает катастрофически падать.

Как же быть? Выход из тупика подсказал дельфин.

Вы, вероятно, не раз, находясь на отдыхе у моря, видели, как быстро мчатся в волнах стаи дельфинов, развивая порой скорость до 30 узлов, т. е. примерно до 56 км/час. Долгое время ученые и инженеры не могли понять, каким образом дельфинам удается развивать столь большую скорость и без видимого усилия сопровождать быстроходные корабли в течение многих часов и даже дней, ни на шаг не отставая от них. Английский исследователь Грей установил, что для достижения скорости 30 узлов мышцы дельфинов должны быть примерно в 7 — 10 раз мощнее, чем на самом деле... За тщательные экспериментальные и теоретические исследования гидродинамического секрета дельфина принялись советские ученые под руководством академика В. В. Шулейкина. Еще в 1936 г. В. В. Шулейкин, В. С. Лукьянова и И. И. Стей на заседании Отделения математических наук Академии наук СССР сделали доклад о своих изысканиях, проводившихся в специальной башне. Ученые вывели формулы движения одиночного животного и целой стаи и установили, что при движении тело дельфина испытывает меньшее сопротивление со стороны воды, чем тело других обитателей моря. Они провели буксировочные испытания в бассейне и замерили сопротивление воды движению на модели. И тогда ученые столкнулись с почти необъяснимым законами механики фактом: точно воспроизведенная по весу и форме тела модель дельфина, которой сообщалась равная тяга, передвигалась по воде гораздо медленнее, чем живой дельфин.

Рис. 9. Движение в воде обтекаемого тела с твердой оболочкой и движение дельфина

Позднее было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) течение, не переходящее в вихревое (турбулентное), а плывущая подводная лодка, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность (рис. 9). На преодоление сопротивления воды при наличии турбулентности тратится около 9/₁₀ движущей силы лодки.

Рис. 10. Разрез дельфиньей кожи (схема). 1 — эпидермис; 2 — дерма; 3 — жировой пласт; 4 — подкожная мускулатура; 5 — верхний роговой слой эпидермиса; 6 — ростковый слой эпидермиса; 7 — ячейки росткового слоя; 8 — шиловидные сосочки дермы; 9 — подсосочковый слой дермы; 10 — пучки коллагеновых волокон; 11 — пучки эластиновых волокон; 12 — жировые клетки (по В. А. Соколову)

В чем же все-таки секрет необычайно высокой скорости движения дельфина? Оказывается, вся тайна "антитурбулентности" этого животного заключена в структуре его кожи (рис. 10). Эпидермис кожи очень эластичен (по своим свойствам он напоминает лучшие сорта автомобильной резины) и, как показали микроскопические исследования, состоит из двух слоев: тонкого наружного и лежащего под ним росткового, или шиповидного. В ячейки росткового слоя снизу по одному входят упругие сосочки дермы, напоминающие зубцы резиновой щетки для чистки замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы сильнее развиты в тех местах, где ощущается большее давление воды при поступательном движении: в лобной части головы, на передних краях плавников и т. д. Ниже сосочков дермы располагается густое сплетение коллагеновых и эластиновых волокон, пространство между которыми заполнено жиром. Такое строение кожного покрова не только защищает организм дельфина от потерь тепла и повышает силу сцепления эпидермиса с дермой, но и действует, как превосходный демпфер, который вносит затухание в поток и предотвращает развитие турбулентности и срыв потока. Демпфирование достигается тем, что весьма эластичные жировые клетки подкожного слоя способны менять под давлением свою форму и затем восстанавливать ее. Кроме того, отличная буферность кожи достигается упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.

Благодаря всем этим свойствам кожи поток, обтекающий тело дельфина, даже при большой скорости движения остается ламинарным, завихрения в нем не возникают. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали "стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением".

Рис. 11. Расположение гребней под тонким роговым слоем у обыкновенного дельфина (а) и у морской свиньи (6) (по П. Пурвесу)

Вот что пишет по этому поводу А. Г. Томилин.

"В 1963 г. английский зоолог Пурвес обратил внимание на расположение в коже китообразных дермальных гребешков, направленных вдоль струй потока. Для их изучения с поверхности кожи обыкновенного дельфина осторожно удаляли тонкую кожицу рогового слоя и рассматривали гребни под бинокулярной лупой. Оказалось, что на боках тела (кроме их нижней трети) гребни направлены косо вверх и назад под углом в 30° к продольной оси тела животного (рис. 11). На хвостовом стебле гребни были той же ориентации, что и на боках тела, а на грудных и спинном плавниках располагались горизонтально. Ученые предполагают, что расположение дермальных гребней в коже китообразных, способствует ламинаризации потока. У тихоходных морских свиней гребни располагаются иначе, чем у быстроходных дельфинов".

Рис. 12. В момент достижения дельфином критической скорости его кожа собирается в складки, которые сбивают вихревые потоки, возникающие вокруг движущегося тела (по А. Г. Томилину)

Ученые установили также, что на упругой коже китообразных и, в частности, дельфинов постоянно имеется тонкий слой специальной смазки, вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому кожа дельфинов обладает гидрофобным, водоотталкивающим, свойством. Важность этого открытия для ряда областей инженерной практики и прежде всего для водного транспорта трудно переоценить. Дело в том, что гидрофобность способствует образованию в слое воды, ближайшем к поверхности движущегося тела, шарообразных структур из отдельных совокупностей молекул; поэтому гидрофобное тело при перемещении в воде как бы катится по шарикоподшипникам. А, как известно, трение качения значительно меньше трения скольжения.

Китообразные владеют еще одним чрезвычайно интересным способом уменьшения трения при своем движении. Речь идет о так называемом двигательном механизме кожи этих животных. Он вступает в действие тогда, когда дельфины достигают максимальной скорости и возникающие при этом вихревые потоки уже нельзя погасить ни антитурбулентными (демпферными), ни гидрофобными свойствами кожи. Именно в этот критический момент начинается волновое движение самого кожного покрова тела животного (рис. 12). Эти волнообразные складки кожи, пробегающие по туловищу дельфина (они были сфотографированы Ф. Эссапьяном во флоридском океанариуме), гасят вихри, возникающие при высоких скоростях, уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного и дают ему возможность легко мчаться даже в тесном стаде, в котором, казалось бы, вихревые потоки вокруг множества близко плывущих особей должны сделать невозможным стремительное передвижение всего стада.

Что же можно и что уже удалось позаимствовать инженерам из "конструкции" кожного покрова китообразных, чтобы достигнуть в судостроении "дельфиньего совершенства"?

В 1960 г. природный кожный покров дельфина послужил работающему в США немецкому инженеру М. Крамеру образцом для создания опытных демпфирующих покрытий твердых тел в целях снижения гидродинамического сопротивления трения. Первая мягкая оболочка — "дельфинья кожа", получившая название "ламинфло" (от слов "laminar flow" — ламинарное течение), была изготовлена сначала из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 мм. Гладкий наружный слой (0,5 мм) имитировал эпидермис кожи дельфина; средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (1,5 мм) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 мм) играл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между палочками-стерженьками: она играла роль демпфера — гасителя вихрей в пограничном слое воды, ближайшем к корпусу модели (рис. 13).

Уже первые опыты с торпедой и катером, обшитыми мягкой оболочкой "ламинфло", принесли весьма ощутимые результаты — вызываемое турбулентностью торможение снизилось почти наполовину, скорость увеличилась вдвое! Эксперименты, начатые Крамером, продолжили ученые разных стран. Изменялись соотношения элементов покрытия: толщина слоев, размеры и расположение сосочков — стерженьков, вязкость промежуточной жидкости и т. д.

Результаты многочисленных испытаний подтвердили возможность снизить сопротивление воды на 40 — 60%.

Рис. 13. Схема искусственной дельфиньей кожи — 'ламинфло'. А — боковой разрез, Б — разрез по линии аб. 1 — верхняя бесшовная оболочка; 2 — средний слой — эластичная диафрагма с гибкими стерженьками; 3 — нижняя бесшовная оболочка; 4 — корпус модели; 5 — пространство между стерженьками, заполненное демпфирующей жидкостью; 6 — гибкие стерженьки среднего слоя (по М. Крамеру)

Пока еще обшивка "ламинфло" очень далека от того совершенства, которое свойственно естественной коже дельфинов. В природных покровах быстро плавающих дельфинов демпфирование достигается тем, что мягкий жир под давлением эпидермиса и верхней части дермы перемещается в очень малых полостях между весьма упругими волокнами. Само демпфирование в покровах дельфинов осуществляется гораздо совершеннее, чем в искусственной коже "ламинфло", так как природный демпфирующий слой (дерма с сосочками и жировой пласт толщиной в несколько сантиметров) гораздо толще и состоит из более тонких капилляров. Однако продолжающееся изучение специфических особенностей кожи дельфина и непрерывно расширяющийся арсенал средств и возможностей современной химии позволяют надеяться, что со временем удастся создать мягкие синтетические оболочки, по своей структуре и упругости весьма близкие к природному образцу. И тогда подводные лодки, катера, морские и океанские лайнеры, облицованные искусственной дельфиньей кожей, приобретут невиданную ранее быстроходность.

Можно также полагать, что подобные амортизирующие оболочки будут эффективны не только при движении твердых тел в жидкой или газообразной среде (подводные лодки, самолеты), но и при транспортировке жидких, газообразных и даже твердых тел по трубопроводам. Недавно сотрудник Питтсбургского университета (США) Р. Пелт выстлал внутреннюю поверхность трубы материалом, имитирующим дельфинью кожу (роль дельфиньей кожи исполняло покрытие из уретановой смолы на полиэфирной основе), и измерил, насколько снизились потери давления при перегонке жидкости по этой трубе. Оказалось, что они уменьшились на 35%.

Таким образом, нехитрую трубу (если сделать ее достаточно длинной) можно превратить в самый экономичный вид транспорта. Здесь поток грузов может двигаться непрерывно, днем и ночью, без простоев, перегрузок и перевалок, без потерь на "усушку-утруску-усыпку". По трубопроводам, выстланным "дельфиньей кожей", можно будет на сотни и тысячи километров перекачивать воду, горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, всевозможные гранулы, смешанные с водой в пропорции "один к одному", кормовую пасту для поросят и коров, помидоры, картофель, фрукты и даже... живую рыбу...

Но вернемся к кораблям голубых дорог и посмотрим, чем еще может помочь бионика в повышении их быстроходности. Ведь в наше время, время стремительного увеличения скоростей в авиации и невиданного ускорения всех наземных видов транспорта, морские и океанские суда, по сути, не затронуты этим всеобщим прогрессом скоростей, и нет сейчас более сложной и более жгучей проблемы на водных магистралях мира, чем повышение скорости пассажирских и грузовых кораблей. Это проблема проблем.

Бионические поиски показывают, что, помимо обшивки судов искусственной дельфиньей кожей, у природы можно позаимствовать еще один весьма эффективный способ повышения быстроходности судов.

А нельзя ли избавиться от волнового сопротивления? Можно, только для этого нужно уйти под воду. "Теоретические расчеты и опыты на моделях показали, — пишет контр-адмирал А. Родионов, — что подводный транспорт имеет ряд преимуществ перед надводным. Так, для подводного транспорта сопротивление воды меньше, чем для надводного. (На глубине около 100 м волн, а значит, и волнового сопротивления уже нет.) Это означает, что мощность энергетической установки на подводном транспорте при прочих равных условиях должна быть меньше, чем у надводного. Подводный транспорт не подвержен влиянию ветра, волн, оледенения. Ему не нужно снижать скорость и отстаиваться в укрытых местах при штормах и ураганах. Продолжительность навигации в замерзающих районах для надводных судов (даже с ледоколами) ограничена. В районах с разреженным льдом они плавают, хотя и самостоятельно, но с малой скоростью. Подводные же корабли очень удобны для плавания в северных морях, так как они легко двигаются подо льдами; холода и туманы, любая непогода им не помеха".

Все эти обстоятельства заставили кораблестроителей и экономистов более глубоко, нежели это делалось раньше, заняться изучением целесообразности строительства грузовых и пассажирских подводных судов, которые во многом обещают быть лучше надводных.

Морской флот ныне является самой мощной в мире транспортной системой, от работы которой зависит благосостояние крупнейших стран и развитие мировых экономических связей. В 1966 г. в одном лишь Атлантическом океане ежедневно в плавании находилось около 4 тысяч судов с грузами. Объем морских перевозок растет из года в год. Вместе с интенсивным ростом грузооборота идет фантастическое увеличение размеров и тоннажа строящихся судов. Еще недавно самым большим судном в мире считался японский танкер "Токио Мару" дедвейтом (общей величиной всех грузов) около 150 000 т. Но он недолго удерживал лидерство среди плавающих в настоящее время кораблей грузового флота. В 1967 г. вступил в строй танкер дедвейтом 205 000 т. Длина нового судна составляет 342 м, ширина 50 м, высота борта 23 м и осадка 17,33 м. Танкер предназначен для перевозки нефти из портов Персидского залива в порты Японии. Но и этот танкер недолго будет крупнейшим судном мира. Четыре японские судостроительные фирмы получили заказ на постройку танкеров дедвейтом от 150 000 до 280 000 т. Ведутся переговоры о строительстве танкера-гиганта дедвейтом 500 000 т.

Несколько иначе обстоит дело с грузоподъемностью подводных судов. Хотя теоретические расчеты и показали, что из всех возможных типов подводных судов наиболее экономичны крупные подводные супертанкеры дедвейтом свыше 100 000 т, однако постройка таких судов пока технически трудно осуществима; поэтому большинство ведущихся ныне проектных разработок производится применительно к танкерам дедвейтом не более 50 000 т.

В настоящее время по заданию правительственных органов, а также частных судовладельческих и судостроительных компаний США, Англии и Японии и некоторых других стран ряд специально созданных проектно-исследовательских организаций выполнил более 50 разработок подводных судов различных типов. В Англии, например, проявляют интерес не только к подводным танкерам, но и к подводным рудовозам, пригодным для круглогодовых рейсов в замерзающие порты Канады. Уже спроектирован атомный подводный рудовоз "Моби Дик" дедвейтом 28 000 т. Его максимальная расчетная скорость хода — около 50 км/час. Корпус рудовоза похож по своей форме на кита. Все грузовые помещения находятся внутри прочного корпуса, в средней части корабля.

А какие движители и двигатели следует ставить на подводные суда?

Некоторые кораблестроители считают, что для скорости ниже 100 узлов еще длительное время пальму первенства будут удерживать суда с винтовыми движителями. Однако здесь имеется одно "но" — заклинивание винта на больших глубинах. Это обстоятельство заставляет ученых вновь заняться попытками использования принципа волнообразного движения рыб при конструировании судов для подводного плавания. Ряд проведенных экспериментов показал, что к. п. д. нового устройства доходит пока что лишь до 16%. Вместе с тем некоторые соображения позволяют надеяться, что при удачной конструкции к. п. д. можно будет значительно увеличить. Результаты исследований, — пишет журнал "Мэшин Дезайн", — пока что скромны. Но перед нами всего лишь первые, нетвердые шаги младенца, который будет расти, мужать и развиваться...

Что касается двигателей, то для подводного транспорта дизели и электромоторы, питающиеся от аккумуляторов, разумеется, не годятся. Их мощности не позволяют строить большие, высокоскоростные суда. Для скорости порядка 100 и более узлов подводные суда, по мнению специалистов, придется снабжать двигателями типа ракетных, прямоточных, с воздушнореактивными моторами или турбореактивными установками. С этим бионики согласны, однако они считают, что создателям будущих подводных судов все же следует заглянуть в "конструкторское бюро" природы, пойти на выучку к некоторым обитателям царства Нептуна. Ведь природа из поколения в поколение совершенствовала "конструкцию" рыб, все лучше приспосабливала их организмы к жизни и передвижению в воде. Человек же относительно недавно научился строить корабли, а тем более подводные суда. И, конечно же, кораблестроителям есть чему поучиться у древнего и мудрого мастера — природы в создании высокосовершенных двигателей и движителей. Достаточно сказать, что, в отличие от существующих технических средств подводного транспорта, у всех подводных обитателей функции двигателя и движителя совмещены в одном мышечном механизме, без промежуточных звеньев, а это, как известно, способствует эффективной отдаче энергии, повышению коэффициента полезного действия, обеспечивает надежность работы системы.

Вот пример. В зоологическом саду во Франкфурте-на-Майне можно увидеть рыбок с необычным строением тела: грудные и брюшные плавники у них деформированы и напоминают согнутые руки, оканчивающиеся длинными пальцами. На "локтях" находятся отверстия, приспособленные для "реактивного" движения. Заглатывая широко раскрытым ртом воду, рыбки под большим давлением выталкивают ее через эти отверстия.

В результате реактивной силы отдачи тело рыбок движется с большой скоростью.

Рис. 14. Кальмар и его реактивный движитель, а) Кальмар — живая ракета; б) пульсирующий реактивный движитель кальмара; в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад (слева) и вперед (справа)

Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам — осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техников представляет реактивный движитель кальмаров. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными движителями (рис. 14, а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Основой его является мантия — мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, образуя своеобразный резервуар (мантийную полость), в который периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 14, б). Объем мантийной полости составляет почти половину объема тела моллюска. При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель (она плотно "застегивается" на специальные "запонки" после забора воды) расположена вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создается за счет выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку), которое расположено на брюшной поверхности кальмара. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки (рис. 14, в), кальмар плывет одинаково хорошо как вперед, так и назад (если он плывет назад, — воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к ее стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперед, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, ее выходное отверстие разворачивается на 180° и клапан занимает изогнутое положение). На забор воды и ее выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.

Инженеры уже создали движитель, подобный движителю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается и выталкивается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же движитель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров, является объектом тщательных исследований биоников? Дело в том, что для передвижения под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Поэтому поисковые работы инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушнореактивному, т. е. такого, где двигатель и движитель составляют одно целое.

Весомый вклад в решение этой проблемы обещают внести химики. Они ведут работу над синтезом особых веществ, способных гореть в воде, как бензин или керосин в воздухе. Располагая необходимым горючим, творцы нового "подводного" мотора при разработке его конструкции, несомненно, учтут опыт строителей авиационных реактивных двигателей и обязательно воспользуются подсказкой природы, создавшей "живую ракету" — кальмара.

Гидрореактивный движитель кальмара очень экономичен в работе. Отработанный природой на протяжении многих миллионов лет и доведенный ею до высокой степени совершенства, он позволяет кальмару в погоне за косяками рыб, служащих для него основной пищей, легко совершать в океане тысячемильные переходы. Кальмары могут развивать скорость до 70 км/час, причем это, вероятно, не предел. Хотя прямых измерений, насколько нам известно, никто не производил, некоторые исследователи, занимающиеся изучением головоногих моллюсков, считают, что возможная максимальная скорость передвижения кальмаров в воде может достигать 150 км/час.

Кальмаров поистине можно назвать "спринтерами моря". Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 м. Высота полета такой живой ракеты над водой, по свидетельству бывалых моряков, иногда достигает 7 — 10 м. В отличие от подавляющего большинства быстроходных рыб, обладающих малой маневренностью на большой скорости, кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости,

Изумительной быстроходности и маневренности кальмаров в большой степени способствуют чудесные гидродинамические формы тела животного. Тело у кальмаров мягкое, но упругое, и оно способно существенно деформироваться. Набирая скорость, кальмар вытягивается и сбоку очень похож на профиль самолетного крыла. Его спина становится более выпуклой, чем брюхо. Продольная ось тела при этом совпадает с направлением поступательного движения. Иначе говоря, тело — "крыло" — все время сохраняет нулевой угол атаки. Неодинаковые скорости потоков над и под крылом создают подъемную силу. Перемещаются кальмары, как и другие головоногие моллюски, хвостом вперед, а голова и десять ног-щупалец с присосками служат как бы кормой. При движении щупальца плотно складываются вместе, и вода их хорошо обтекает. Они снабжены продольными килями, которые образуют кормовое оперение корпуса кальмара. Эти необычайно длинные (по сравнению с размерами тела моллюска) кили надежно стабилизируют направление движения кальмара; при их помощи он легко сохраняет и меняет курс.

Таким образом, изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ракеты, способной развивать под водой огромную скорость.

Разумеется, моряку и даже специалисту-судостроителю 60-х годов нашего столетия трудно представить себе во всех деталях, какими будут корабли, скажем, через 50 лет.

И все же, читатель, давайте мысленно совершим экскурсию в морской порт 2018 года... У причалов стоят корабли, по форме очень похожие на китов, дельфинов, акул, тунцов и кальмаров. Один из них закончил погрузку, отходит от пирса и направляется в открытое море. Несколько минут, величаво покачиваясь на волнах, плывет, купаясь в лучах заходящего солнца "белый кит" и... исчезает под водой. Пройдет немного времени, и столь же неожиданно он выплывает из глубин океана в другом полушарии...

Теперь посмотрим, что могут позаимствовать инженеры из "патентов" природы для развития современного воздушного транспорта.

Вероятно, раньше всех на Земле начали летать представители растительного царства. Ведь своеобразные "крылья" имеют многие семена деревьев и растений. Так, у семян клена сравнительно большая аэродинамическая поверхность, имеющая вид двух симметрично расположенных лопастей, которые, высыхая, несколько закручиваются. Падая на землю, семена быстро вращаются, аэродинамические силы задерживают падение семени, благодаря чему ветер может отнести его на значительное расстояние. Легкие семена тополя окружены пухом, что дает им возможность в теплые сухие дни подниматься высоко над землей под действием воздушных потоков и долго парить, далеко улетая от родного "дома". У ели и сосны семя снабжено одним прозрачным крылышком-парусом. В зимнее время ветры заставляют семя "под парусом" скользить по насту, словно буер по льду, и оно перемещается на десятки километров от материнского дерева.

В начале нашего века ученые заинтересовались летными свойствами крупного семени одного из тропических растений — цанонии из семейства тыквенных. Семена цанонии подолгу парят в воздухе, поднимаясь и опускаясь в его потоках. По их образцу и были созданы первые планеры и самолеты "летающее крыло". Одно время эти модели были очень популярны, но потом о них почему-то забыли...

Природа создала очень много оригинальных летающих "конструкций". Достаточно сказать, что значительная часть всех известных в настоящее время видов живых существ способна летать. Не говоря уже о птицах и насекомых, природа сделала крылатыми даже многих рыб.