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
