Повышение скорости движения судов, имеющих контакт с водой

Можно смело сказать, что судоходство — древнейший из всех существующих видов транспорта, хотя ответить на вопрос, когда и где было построено первое судно, вряд ли возможно. Но в данном случае нас интересует не это. Возьмем для примера греческие корабли, на которых совершали свои походы герои Гомера, и современный быстроходный лайнер. Сравним их. Разница, безусловно, огромная. Машины мощностью в десятки тысяч лошадиных сил, грузоподъемность, измеряемая тысячами тонн, — все это, конечно, свидетельствует о неоспоримом прогрессе, достигнутом в судостроении за истекшие две—три тысячи лет. Однако, с другой стороны, можно утверждать, что принципиального различия между сравниваемыми кораблями нет. Так, форма плавающего в воде корпуса судна — с заостренным носом, плавно расширяющимися, а затем сужающимися к корме бортами — осталась практически без изменений. Да и скорость современного турбохода-трансатлантика — обладателя «Голубой ленты» всего лишь в 5—6 раз превышает скорость корабля Одиссея, который двигали вперед два—три десятка гребцов.

Если сравнить эти результаты с прогрессом, достигнутым за гораздо более короткий срок в сухопутном, а тем более воздушном транспорте, то выглядят они более чем скромно. Это наводит на мысль, что скорость судна при традиционном способе движения по воде, чем бы оно ни приводилось в движение — веслом или гребным винтом, близка к верхнему пределу. Конечно, инженеры-кораблестроители продолжают работать над усовершенствованием формы корпуса судна и это дает важные для народного хозяйства результаты. Например, в недавнем прошлом только благодаря изменению формы носовой оконечности— установке так называемой бульбовой наделки удалось уменьшить общее сопротивление судна примерно на 5—7%. Но говорить о каких-то кардинальных достижениях и в этом, и во многих аналогичных случаях не приходится.

Вероятно, совершенствовать форму судна можно лишь до какого-то предела, который уже близок и превзойти который невозможно. Дело в том, что даже идеально обтекаемый корпус при движении вызывает образование волн и испытывает сопротивление от трения воды об его обшивку. Эти силы, препятствующие движению судна, возрастают пропорционально квадрату и даже кубу скорости и очень быстро достигают величин, преодолеть которые ни при какой затрате мощности не удается.


Раз их не преодолеть, от них нужно по возможности избавиться! Эта проблема серьезно встала в конце прошлого века. Именно тогда были сделаны попытки заменить движение в воде скольжением по ее поверхности — глиссированием. Первый глиссер, построенный в 1867 г. французом Адером, развивал небольшую скорость — немногим более 20 км/час, но его появление ознаменовало начало новой эпохи в истории борьбы за скорость на воде. Примечательно, что начало ее совпало по времени с первыми успешными полетами человека в воздухе, а дальнейшее развитие быстроходных судов шло в самой тесной связи с прогрессом в авиации.

За годы, прошедшие со времени испытания первого глиссера, был сделан скачок, уже несравнимый с тем, что было достигнуто за всю предыдущую историю судостроения: современный рекорд скорости на воде, поставленный в 1967 г. на глиссирующем катере с реактивным двигателем, равен 459 км/час! Эти результаты стали возможными только благодаря тому, что глиссирование позволило намного уменьшить одно из главных препятствий на пути роста скорости — волновое сопротивление. На современных глиссирующих судах большая часть мощности двигателей расходуется уже не на образование волн, а на преодоление сопротивления трения о воду (на гоночных глиссерах оно достигает 60—70% полного сопротивления движению, хотя абсолютная его величина гораздо меньше, чем у водоизмещающего судна). Чтобы добиться дальнейшего роста скорости при заданной ограниченной мощности двигателя, нужно преодолеть и это препятствие.

Однако способность скользить по поверхности воды является одновременно и одним из присущих глиссеру слабых мест. На большой скорости имеется опасность полного отрыва от воды, перехода на режим рикошетирования (так скачет по воде плоский камешек) и даже взлета в воздух, неизбежным результатом которого будет авария — вспомните конец «Синей птицы» Кэмпбелла! С другой стороны, поверхность воды никогда не бывает такой гладкой, как бетонная дорога, а на волнении со скоростным глиссером случится то же, что с гоночным автомобилем, пущенным по пересеченной местности. Ясно, что это ограничивает области применения скоростных глиссеров.


За последнее время теоретически обоснован и практически осуществлен ряд новых способов движения по воде с большими скоростями. Речь идет о применении подводных крыльев, принципа движения на воздушной подушке и др. Многих наших читателей заинтересовала и проблема использования на воде колес. Побудительным мотивом для этого явились очень заманчивые публикации в некоторых газетах и научно-популярных журналах. Вот, что, например, напечатано в № 12 за 1967 г. журнала «Юный техник»:

«Инженер В. Подорванов первым догадался использовать почти забытый «эффект Магнуса» в водяных струях. В его конструкции цилиндры не целиком погружены во встречный поток, а лишь своей нижней частью. Именно в этом и заключается главное достоинство новой конструкции. Колеса-цилиндры с наименьшими потерями энергии особенно легко подминали, подтягивали под себя встречные струи воды. Их подъемная сила была так велика, что значительно лучше подводных крыльев поднимала над водой весь корпус судна. Ведь сопротивление цилиндров значительно меньше, чем у подводных крыльев. Кроме того, они вращаются значительно быстрее, чем бегущие под них встречные струи воды. В результате появляется дополнительное тяговое усилие, ускоряющее движение судна. Чем больше скорость корабля, тем выше он поднимается над водой. Вот цилиндры лишь едва касаются поверхности воды своей нижней поверхностью. Новая фаза движения — цилиндры лишь временами касаются воды. Еще увеличишь скорость — и судно полностью переходит на режим полета. В воде остается лишь толкающий его гребной винт. Теперь цилиндры работают уже не в гидродинамическом, а в аэродинамическом режиме. Скорость корабля-цилиндрохода можно довести над самой поверхностью воды до 300 км/час, а возможно и более, что недостижимо для судов на подводных крыльях и на воздушной подушке».

Не будем пока подробно разбирать реальность применения этого принципа достижения столь высоких скоростей, но ознакомимся, хотя бы кратко, с проектом, о котором идет речь и на который В. П. Подорванову выдано авторское свидетельство.


Быстроходный катер, имеющий вертикальный воздушный руль и горизонтальный стабилизатор, удерживается над поверхностью воды за счет гидродинамических сил, образующихся на поверхности цилиндрических колес — двух больших носовых и двух поменьше в корме. Колеса перекатываются по воде с проскальзыванием и рикошетированием, причем ось вращения носовой пары колес расположена впереди и выше центра тяжести корпуса с отнесением на нее 70—90% веса всего катера. Колеса смонтированы на амортизаторах. Движение осуществляется за счет упора гребного винта.

Можно напомнить и о реактивном глиссере «Зеленое Чудовище», построенном американцем Артом Арфонсом для установления нового рекорда скорости на воде: в его поплавки-спонсоны вмонтированы выступающие вниз автомобильные колеса. По мысли изобретателя, колеса эти, как по бетону, будут катиться по поверхности воды. Что из этого вышло, пока неизвестно; во всяком случае мировой рекорд по-прежнему принадлежит Ли Тэйлору, а не Арту Арфонсу!

С просьбой оценить подобные проекты и установить, насколько они соответствуют фундаментальным положениям теории гидродинамики редакция обратилась к ученым, членам научно-технического общества судостроительной промышленности имени академика А. Н. Крылова. Чтобы конкретизировать тему беседы, мы сознательно сузили круг вопросов, задавшись целью выяснить принципиальную возможность повышения скорости движения малых судов, имеющих контакт с водой, т. е. исключив из рассмотрения аппараты на воздушной подушке, экранопланы и др. Приводим краткое содержание этой беседы.

Что можно сказать о принципиальной возможности движения по воде на копесах?


Инж. Э. А. Конов: Обычно возможность использования колес в качестве несущих поверхностей связывалась с идеей снижения сопротивления трения. Это и до сих пор продолжает привлекать изобретателей. Если же обратиться к истории, то следует отметить, что еще в 30-х годах проект быстроходного катера на колесах был предложен англичанами Ламбардини и Фиддерманом. Результаты своих теоретических и экспериментальных исследований они доложили в 1948 г. на Втором международном конгрессе по прикладной механике. Английские инженеры полагали, что, если установить под днищем судна ряд свободно или принудительно вращающихся цилиндров, то за счет снижения сопротивления трения скорость передвижения по поверхности воды возрастет. Но чтобы поддерживать судно над поверхностью воды, колеса одновременно должны создавать соответствующую подъемную силу. По существу англичане рассматривали движение колеса в режиме глиссирования. Однако, как показали проведенные позднее эксперименты, гидродинамическое качество (т. е. отношение подъемной силы к сопротивлению) колес может быть лишь немногим больше единицы, т. е. всегда оказывается значительно хуже, чем у обычного плоского днища.

Что же касается материалов по этому вопросу, опубликованных в некоторых популярных изданиях, то, к сожалению, все они грешат научной недостоверностью и поэтому вводят читателей в заблуждение.

Канд. техн. наук М. А. Басин: Я вообще не понимаю, зачем говорить о глиссирующем колесе как о новом принципе движения. Задача достижения высоких скоростей при движении по воде требует создания глиссирующей поверхности с высоким гидродинамическим качеством. Колесо (цилиндр), даже вращающееся в направлении движения, не обладает этим качеством, так как представляет собой глиссирующую поверхность с формой, далекой от оптимальной.


Резюмируем сказанное: движение колеса по водной поверхности не может быть идентичным движению по земпе, как на это рассчитывал Арфонс, а предположения Подорванова о большой несущей способности колес при глиссировании ошибочны.

Какие другие направления могут считаться перспективными для уменьшения сопротивления трения судна?

Инж. Ю. А Голдобин: Предыдущие высказывания показали, что для увеличения скорости судна ставить его на колеса совершенно ни к чему. Мне хочется напомнить интересную мысль, высказанную известным аэродинамиком профессором Голубевым. Обычное колесо при движении по земле в любой момент, как известно, имеет точку, скорость которой относительно земли равна нулю, — это точка ее опоры. Подобным же образом и частицы воды, находящиеся на некотором удалении от обшивки движущегося судна, остаются в состоянии покоя, в то время как частицы, прилегающие к обшивке, силами вязкости увлекаются вместе с судном.

Из этой аналогии можно сделать вывод, что изобретенное человеком колесо является лишь грубой копией созданного природой вихревого механизма, который сейчас принято называть пограничным слоем.

Проблема состоит в создании оптимального режима взаимодействия пограничного слоя и корпуса. В науке эта проблема называется управлением пограничным слоем (УПС).

Что же имеется в виду под управлением пограничным слоем для снижения сопротивления трения?

Канд. техн. наук А. А. Бутузов: Одним из наиболее перспективных способов снижения сопротивления трения судна является создание на днище тонкой воздушной прослойки. При этом для достижения высоких результатов необходимо проектировать судно со специальной формой корпуса. Получаемый эффект достигается за счет уменьшения сопротивления трения той части поверхности корпуса, которая покрывается воздушной прослойкой и, грубо говоря, движется уже не в воде, а в воздухе. Расход воздуха, а следовательно, и мощности на поддув в этом случае получается несравнимо меньше, чем у судна на воздушной подушке обычного типа.

Инж. Ю. А. Голдобин: Любопытно, что эффект воздушной смазки был замечен на парусных швертботах, имеющих эжекторы в днище для откачивания попавшей в корпус воды. Если при большой скорости открыть эжекторы, то воздух засасываемый через них под днище, существенно уменьшает сопротивление и скорость швертбота при этом, несмотря на добавочное сопротивление самих эжекторов, заметно повышается, а за кормой можно наблюдать интенсивный воздушный след.

Инж. А. С. Павленко: Как сообщил журнал «Эр кашн», американцы при испытании 9-метрового быстроходного катера получили благодаря применению воздушной смазки снижение сопротивления трения на 40%. Следует, однако, отметить, что воздушная смазка — не единственный способ уменьшения сопротивления трения. Большой интерес представляют, например, податливые покрытия корпуса.

Речь идет о «дельфиньей коже»?

Инж. А. С. Павленко: Да, в популярной литературе такое название принято. Принципиально действие податливого покрытия объяснить несложно; одно из них, разработанное американским ученым Крамером, показано на рисунке. Изгибаясь под действием пульсирующих давлений, податливое покрытие как бы выравнивает, сглаживает поток, поглощает энергию поперечных колебаний пограничного слоя и таким образом ламинаризует его. На испытаниях, проведенных Крамером, удалось получить снижение сопротивления трения на 40%.

Можно ли считать это точной копией эффекта, который позволяет морским животным развивать большую скорость при сравнительно незначительных затратах мощности?

Канд. техн. наук В. П. Шадрин: Аналогия, конечно, есть, но далеко не полная. Принцип действия кожи дельфина, как и любой биологический саморегулирующейся системы, гораздо сложнее. Нервные окончания, которыми пронизана кожа дельфина, позволяют, очевидно, ей более активно взаимодействовать с окружающей средой и обеспечивают дополнительный выигрыш в сопротивлении. Механизм этого взаимодействия во многом не ясен.

Существует еще один способ снижения трения судна — введение в пограничный слой специальных полимерных веществ, например, окраска наружной обшивки выделяющей полимеры краской. Предполагают, что сравнительно длинные и гибкие молекулы полимеров являются своеобразной пружиной, гасящей колебания потока в пограничном слое. Располагаясь вдоль линий тока, такие молекулы сопротивляются поперечному перемешиванию воды и могут задержать переход ламинарного режима в турбулентный. Известно, что Международный Парусный Союз даже издал специальное постановление, запрещающее использовать такие покрытия на гоночных яхтах, чтобы не давать преимущества отдельным спортсменам.

Каковы физические основы действия полимерных покрытий и их перспективы?

Канд. техн. наук А. А. Бутузов: Механизм действия полимерных покрытий исследован пока слабо. Имеющиеся экспериментальные сведения еще не дают основания для каких-либо обобщающих выводов.

Инж. Ю. А. Голдобин: Известно любопытное сообщение об эксперименте, проделанном в США. С носовой части катера выливали в воду ведро раствора полимера. Скорость судна при этом мгновенно увеличивалась, ощущался толчок. Уменьшение трения оценивалось при этом величиной порядка 40%.

Обратимся теперь к более доступному средству повышения скоростей. Что можно сказать о будущем подводных крыльев! Может пи быть назван предел скорости, который доступен судам на крыльях!

Канд. техн. наук М. А. Басин: Назвать какую-либо определенную величину, пожалуй, не представляется возможным.

Инж. М. В. Михайлов: В авиации с ростом скоростей стали уходить на большие высоты, где плотность воздуха значительно меньше, чем у поверхности земли, а следовательно, меньше потери на трение. В судостроении происходит то же самое — подводные крылья нас уже не удовлетворяют, конструкторы добиваются теперь полного отрыва судна от слишком плотной среды — воды.

Мы, кажется, все-таки переходим к области применения судов на воздушной подушке и экраноппанов?

Инж. А. С. Павленко: Нет смысла говорить о теоретически предельно возможных скоростях с применением того или иного способа движения. Ведь имеются определенные границы, до которых использование каждого из этих способов практически целесообразно. Например, глиссер, движущийся со скоростью 100 км/час, по энергетическим затратам не имеет преимуществ перед судном на крыльях, тогда как по своим мореходным качествам он будет ему безнадежно проигрывать.

Инж. С. Б. Соловей: В такой же взаимосвязи следует рассматривать движение при использовании поддува воздуха под днище катера. Каждый способ эффективен лишь при определенных сочетаниях скорости и грузоподъемности судна.

Многих читателей нашего сборника интересует возможность создания многорежимного катера, который мог бы одинаково экономично ходить и с большой скоростью, и с малой. Для водного туризма такое судно не имело бы себе равных. Любителям отдыха на воде часто приходится преодолевать значительные расстояния, чтобы добраться до облюбованного места. Какие существуют, хотя бы пока теоретически, решения в этом направлении?

Инж. Ю. А, Голдобин: Самое простое — погрузить лодку на машину и забросить ее, куда нужно.

Канд. техн. наук М. М. Буньков: Если говорить серьезно, можно рекомендовать откидывающиеся подводные крылья. Другой интересный вариант — гидролыжи, патенты на которые зарегистрированы сейчас во многих странах. Принципиально назначение лыж то же, что и крыльев, — выталкивать корпус судна из воды, чтобы уменьшить его сопротивление. Разница заключается в том, что, во-первых, лыжи устанавливаются не поперек, а вдоль корпуса, и во-вторых, не находятся под водой, а скользят по ее поверхности. На стоянке и при движении с небольшой скоростью лыжи прижаты к днищу и не оказывают влияния на величину сопротивления корпуса. Конечно, гидродинамическое качество лыж ниже, чем подводных крыльев, и при равной мощности механической установки судно на крыльях сможет развить большую скорость, Это видно хотя бы при сопоставлении кривых сопротивления обоих судов. Но на волнении катер с гидролыжами оказывается более мореходным, по сравнению с глиссером. При движении с большой скоростью лыжи, скользя по взволнованной воде, за счет своей гибкости как бы следят за ее поверхностью и таким образом демпфируют, смягчают удары волн, превращающих обычно в пытку плавание на плоскодонном катере. Чтобы повысить демпфирующее действие лыж, японские судостроители предложили устанавливать их на амортизирующих опорах.

Известно, что при разгоне судна крылья создают огромное дополнительное сопротивление, которое на графике выглядит внушительным горбом. Лыжи такого горба не дают и сопротивление судна при увеличении скорости изменяется примерно так же, как и у обычного глиссирующего катера. Кроме того, изменяя угол наклона лыжи, можно регулировать подъемную силу, необходимую для того, чтобы оторвать корпус от воды. Каждый знакомый с воднолыжным спортом, легко может представить, как это делается.

Итак: лыжи, крылья, полимеры, поддув воздуха, податливые покрытия, — это основные направления, основные пути к достижению границ возможного в борьбе за скорость судна. Каждое из этих направлений, конечно, может быть темой специального разговора. Поэтому, выражая от имени читателей «Катеров и яхт» благодарность всем участникам сегодняшней беседы, мы надеемся, что они не откажутся в дальнейшем более полно изложить свои соображения по затронутым вопросам и с теоретической и с практической точек зрения.