Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №01 за 1975 год
Так обозначился тупик не конструктивного, а принципиального свойства, и выхода из него на обычных путях судостроения не видится.
Первое «нестандартное» решение наметилось уже давно. Чей глаз не восхищали могучие буруны, которые вспенивает быстроходное судно? Но для инженера такой бурун лишнее напоминание о несовершенстве величественной техники. Ведь борьба за скорость морских судов — это прежде всего борьба с волновым сопротивлением, которое и порождает столь внушительный и приятный для стороннего глаза бурун. При больших скоростях на преодоление волнового сопротивления тратится до трети, а то и больше мощности главных судовых двигателей.
Естественно возникла идея вырвать судно из плена волн, поднять его над поверхностью воды. Почти одновременно ученые и конструкторы СССР, Японии, Англии и других стран принялись за разработку судов на подводных крыльях и на воздушной подушке. Такие суда, как известно, созданы, они полулетают-полуплавают, но оказалось, что это еще не выход из тупика. Причина состоит в том, что для подъема крылатого судна над поверхностью воды на тонну веса приходится затрачивать несколько десятков лошадиных сил. Такое не слишком экономичное соотношение выгодно, скажем, для пассажирских судов небольшого размера (большой выигрыш в скорости).
А вот «вознесение» над водой судна грузоподъемностью в десятки тысяч тонн — дело почти утопическое, ибо вес двигателей, которые бы это осуществили, и вес топлива намного превысил бы... грузоподъемность самого судна!
Перспектива судов на воздушной подушке несколько отрадней, потому что в этой конструкции соотношение мощности и веса меняется с увеличением размеров корабля: чем он крупней, тем меньше надо на тонну веса лошадиных сил. Но, к сожалению, это изменение в принципе не может быть резким, и потому все же трудно ожидать появления выгодных с точки зрения экономики парящих грузовых гигантов.
Итак, «путь вверх» для судов большой грузоподъемности, если и не заказан, то не слишком перспективен. Остается «путь вниз».
Казалось бы, здесь еще меньше надежды на успех. Кому же не ясно, что плавать под водой трудней, чем по воде? Все верно. Следует, однако, учесть, что на глубине около ста метров подводный корабль не испытывает никакого волнового сопротивления. Что такому кораблю не страшны ни туман, ни холод, ни ветер, ни шторм (надводные суда длиной 130—160 метров уже при семи баллах теряют от 25 до 40 процентов хода). Наконец, подводные суда могут плавать подо льдами, что тоже немаловажно.
Есть у них, конечно, и свои специфические минусы. Так, например, для всплытия и погружения им требуются цистерны главного балласта и соответствующее оборудование. Все же анализ показал, что наиболее реальный путь повышения скорости массовых морских перевозок — это уход кораблей под воду.
В США, Англии, Японии и некоторых других странах по заданию правительственных учреждений и частных компаний сейчас созданы проектно-исследовательские организации, хоторые сделали уже свыше ста разработок подводных судов различного типа. Под воду теперь стараются опустить не только танкеры, рудовозы, но и пассажирские лайнеры.
Эти разработки показали, что при скорости до тридцати узлов в час подводным судам не грозит острый конфликт с экономичностью. «Барьер» чуть отодвинулся, но именно чуть. А выигрыш всего в несколько узлов — стоит ли ради этого перекраивать всю технику судостроения? Ведь это тоже расход, и немалый.
А время требует скорости. Как быть?
Теперь уже ясно, что проблему нельзя решить, не обращаясь за советом к природе.
«Нарушители» законов
Вряд ли можно считать нормальным положение, когда слабосильные с точки зрения современной техники морские существа порой оставляют далеко за флагом могучие шедевры кораблестроительной мысли. Как им это удается?
Первым «на консультацию» был приглашен дельфин.
О дельфинах сейчас так много говорят и пишут, что я заранее прошу извинить меня за повторение некоторых уже известных вещей.
Как ни странно, мы до сих пор не знаем, с какой максимальной скоростью плавают дельфины. Научные источники спорят и опровергают друг друга, приписывая им скорость то в двенадцать, то сорок узлов. Так или иначе, достоверно известно, что эти морские животные быстро, чтобы не сказать играючи, обгоняют небольшие катера и грузовозы, долго и без устали сопровождают самые быстроходные корабли.
Должно быть, не одна логарифмическая линейка была отброшена в отчаянии, прежде чем хотя бы в принципе удалось понять, как им это удается делать. Ведь, по всем расчетам, получалось, что энергетика дельфина не позволяет ему развивать такие скорости: мощность его мышц должна быть в семь раз выше, чем она есть на самом деле, а кислорода он обязан потреблять куда больше, чем в состоянии взять его легкие. Получалось, что дельфин каким-то образом «управляет» средой, делает ее уступчивой и податливой. Но как?
Первый, не лежащий на поверхности секрет был разгадан лишь в 1960 году. Оказалось, что гибкая кожа дельфина гасит возникающие возле тела струи, тем самым обеспечивая идеальное обтекание тела. Немедленно была создана искусственная дельфинья кожа — ламинфло. Многочисленные испытания этого покрытия на катерах и торпедах показали, что ламинфло порой снижает сопротивление воды более чем в полтора раза!
Но опыты на больших судах подобного эффекта не дали.
Опять секрет? Да, и если бы только один...
Киноаппарат, запечатлевший кульминационный момент охоты дельфина, показал поразительную вещь. На экране хорошо было видно, как мчится дельфин. Гладкое обтекаемое тело неслось с такой быстротой, что казалось — вода с ревом смыкается за ним. И вдруг на теле животного отчетливо проступили поперечные складки!
Все это выглядело столь же нелепо, как, скажем, рифленое дно на гоночной лодке или поперечно гофрированное крыло у самолета. Что, кроме увеличения сопротивления и, следовательно, потери скорости, это может дать?
Первооткрыватель явления доктор Ф. Эссапьян высказал предположение, что раз такие складки возникают, то это неспроста: они не тормозят, а ускоряют движение!
Легко сказать — ускоряют... Около полутора веков инженеры пользовались уравнениями движения вязкой жидкости, и ни разу цифры не противоречили жизни, математика — практике. Только один дельфин каким-то неведомым способом умудрился обратить минус в плюс, нарушив тем самым все законы поведения тела в жидкости.
Дельфины уже в который раз попали на «досмотр» к биологам, которые начали свое исследование до смешного прозаично — с проверки достоверности уже много лет известного анатомического строения быстроходов моря. И наконец наступило ожидаемое: исследователи подтвердили гипотезу Эссапьяна. Да, у дельфинов вроде бы есть особый двигательный механизм, который создает «бегущую волну»; она гасит вихри, уменьшает трение, действуя тем самым не как тормоз, а как ускоритель.
Едва этот вывод был сделан, как за него взялись математики. Уж больно вывод противоречил здравому смыслу! Через несколько часов работы ЭВМ выдала многометровую ленту с ответом. Все оказалось чрезвычайно простым и одновременно гениальным. Любая неровность на теле скользящего в воде предмета неизбежно замедляет его движение. Любая... кроме «бегущей волны»! Оказалось, что это тот идеальный случай, когда подкожные мышцы настраиваются на оптимальный режим работы. И складки, по логике вещей сбивающие ход, приводят тогда к совсем противоположному результату: пробегая по телу в такт с возникающими завихрениями воды, они как бы разглаживают их.
Сомнение вызывало лишь одно обстоятельство: существует ли особая двигательная мускулатура, которая создает «бегущую волну»? Ведь это изнурительный труд — создавать и все время настраивать такую волну.
Ответ дали опыты, проведенные под руководством доктора биологических наук Ю. Г. Алеева. Наблюдениям — очень тонким! — подверглись пловцы. И выяснилось, что на теле человека тоже возникает «бегущая волна». Возникает при прыжках в воду, при резком отталкивании от стенок бассейна, при плавании под водой со скоростью более полутора метров в секунду. Во всех этих случаях на торсе и бедрах человека возникают те же самые, что и у дельфина, поперечные складки. При более медленном плавании они не образуются. Но ведь у человека заведомо нет никаких специальных, «для разглаживания вихрей» предназначенных мышц. Просто мышцы дельфина и человека так устроены, что движущаяся вода сама настраивает их на оптимальный режим гашения.
Вот с какой неожиданной стороны пришло к нам новое знание свойств человеческого тела!
А недавно советским ученым С. В. Першину, А. С. Соколову и А. Г. Томилину удалось разгадать еще один новый секрет дельфинов (их работа зарегистрирована как открытие). Профессор А. Г. Томилин еще в пятидесятых годах обнаружил в плавниках дельфинов сложную и совершенно непонятную систему сосудов. Прошло целых пятнадцать лет, прежде чем удалось выяснить, что перед нами система «саморегулирования упругости плавников», которая также помогает дельфину развивать скорости, теоретически, казалось бы, невозможные.
