В. Жуков - Физика в бою Страница 13

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.