Как витязь на распутье
Долгим и славным был век белопарусных каравелл, фрегатов и бригантин, но не бороздят и они больше просторы океанов. Не та же ли судьба ждет в обозримой перспективе и суда наших дней?
Казалось бы, для такого вопроса нет ровно никаких оснований. Из года в год растут морские перевозки, со стапелей сходят новые корабли (по данным Ллойда, в 1973 году мировой торговый флот насчитывал 59 606 судов), и, пожалуй, еще никогда морские трассы не были столь оживленными, как теперь. И скажем сразу, что ни в какой обозримой перспективе не сыскать признаков того, что водный транспорт исчезнет.
«Длившаяся около ста лет эра атлантического судоходства, судя по всему( подходит к концу, — пишет, однако, западногерманский журнал «Штерн». — Пассажирские лайнеры, курсировавшие между Европой и Новым Светом, сходят со сцены. Американцы, голландцы и западные немцы, игравшие раньше ведущую роль в Атлантике, уже капитулировали... В этом году 12 миллионов пассажиров пересекут Атлантику воздухом и всего 25 тысяч — морем».
Симптоматичный факт!
Корабли, не только пассажирские, но и грузовые, все менее соответствуют ритму века. Скорость танкера лежит в пределах 16—18 узлов (узел — морская миля в час, миля — 1,85 километра), сухогрузных судов — в пределах 18—22 узлов, что примерно в Два-три раза меньше скорости товарных поездов на электрической тяге или грузовых машин. Многим удобен и выгоден морской транспорт, но медлительность стала, как видим, его ахиллесовой пятой.
А разве быстроту хода нельзя увеличить? Можно. И даже не очень трудно. Но тотчас возникает серьезный конфликт. Дело в том, что гидродинамическое сопротивление воды возрастает сначала пропорционально квадрату скорости судна, а далее — пропорционально ее третьей, четвертой и даже пятой степени! Примерно в той же пропорции, естественно, надо наращивать и мощность двигателей. Выигрыш в скорости обходится все дороже и дороже — разорительная прогрессия!
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.
Не исключено, что и этот секрет не последний. Но дельфин, по крайней мере, неплохо изучен, чего нельзя сказать о рекордсмене моря меч-рыбе. А уж где фантастика, так это здесь! Скорость в сто и более километров в час, которую развивает меч-рыба, требует от нее мощности порядка 2000 лошадиных сил, тогда как предельная мощность меч-рыбы, по расчетам академика А. Н. Крылова, — всего 200 лошадиных сил (подробно о меч-рыбе см. «Вокруг света» № 3 за 1973 год).
Разгадка и применение всех секретов меч-рыбы, пожалуй, сделала бы морской подводный транспорт гораздо быстроходней автомобильного. Но даже использование уже разгаданных тайн дельфина позволило бы вывести его из тупика. Беда, однако, в том, что все эти великолепные решения природы мы пока, в сущности, не можем применить. Для этого наша техника слишком примитивна.
Да, примитивна. Откуда взять обшивку судов, которая бы сама, автоматически создавала «бегущую волну»? В регулировке потоков, которую осуществляет кожа дельфина, участвуют тысячи нервных окончаний. Какой компьютер и в каком материале воспроизведет эту тонкую работу нервных волокон?
Можно подумать, что бионики делают свои открытия и на самых важных ставят печать: «Вскрыть в будущем».
Но так кажется лишь на первый взгляд. И дело не в том, что многие бионические открытия удается с ходу «запустить в производство». Как ни важны эти успехи, еще важней отработка самого метода дешифровки «патентной библиотеки» живой природы, метода подхода к эволюции технических систем с позиций опыта биологической эволюции.
Винт — благо или помеха?
В науке и технике нет и не может быть «последнего слова». Только вот пути, по которым идет творческая мысль конструкторов, иногда бывают довольно странными. Роберт Фултон и многие инженеры после него изрядно потрудились, чтобы прямолинейное движение поршней паровой машины преобразовать в круговое движение гребных колес, что, кстати, было непростой задачей. Никто, однако, не догадался приглядеться к рыбам, которые сновали тут же за бортом. А между тем привод от паровой машины к плавниковому движителю — «рыбьему хвосту» — был бы куда проще и удобней. Однако изобретательская мысль упрямо шла в противоположном направлении.
Правда, пятьдесят лет спустя после Фултона все же нашелся изобретатель, который приделал к кораблю извивающийся хвост с приводом от двигателя. Но идея такого движителя не получила развития. Рыба — это рыба, корабль — это корабль, те и другие плавают, вот и все сходство.
Случайно ли, однако, то, что ни у одного морского существа нет ничего похожего ни на колесо, ни на гребной винт? Над совершенствованием гребного винта трудились поколения талантливых изобретателей, инженеров, ученых, так что современную конструкцию можно считать весьма и весьма совершенной.
И что же? Чем больше гребной винт совершенствовался, тем сильней выявлялись его принципиальные недостатки. Обратите внимание, какой стремительный вращающийся поток воды отбрасывает за корму винт. Между тем задача движителя только отбрасывать воду, не вращая ее. На ненужное «закручивание» гигантского потока расходуется много энергии. Впустую. Впрочем, порок не только в этом. Винт ничем не защищен. В любое время на него может намотаться и рыбачья сеть, и трос, и водоросли. Еще хуже, если лопасти погнутся или сломаются, что случается не так уж редко, ибо винт работает в очень жестком режиме. И еще один (не последний) серьезный недостаток — винтовой корабль плохо управляем. Большое судно даже к пристани не может подойти без буксира.
Видимо, не случайно природа, создав десятка тысяч видов морской фауны, ни один из них не снабдила тривиальным винтом. Будущим гигантским подводным танкерам, рудовозам, промысловым, научно-исследовательским и прочим судам явно требуется новый движитель с таким же коэффициентом полезного действия, как у дельфинов, быстроходных рыб или кальмаров.
Хвостатый корабль! Согласен, что представить такой корабль, принять его как прообраз судов будущего трудно. Так же трудно, вероятно, было в свое время представить, что корабли лишатся парусов. И задним числом мы можем оправдать инженеров прошлого, которые упорно «не замечали» достижений природы. Собственно, только теперь мы более или менее разобрались в биомеханике того же рыбьего хвоста. Поэтому сейчас впервые проблема использования машущего движителя из области рассуждений переходит на водную гладь опытных бассейнов. На моделях, в частности, выяснилось, что движитель типа «рыбьего хвоста» в швартовом, то есть закрепленном, положении создает вчетверо больший, чем винт, упор. Правда, тут приходится мириться с серьезным недостатком — у машущего движителя нет заднего хода. Впрочем, почему мириться? Конструкторы пытаются создать плавники, которые бы поворачивались вокруг вертикальной оси. Тогда движитель сможет гнать воду в любую сторону и судно будет обходиться без рулей. Опыты показали, что выгодней ставить несколько небольших плавниковых движителей в один ряд под кормой почти во всю ширину судна.
Уже известны проекты подводных кораблей с корпусом, состоящим из отдельных подвижных секций, которые должны волнообразно изгибаться, как это делают при плавании рыбы, киты, акулы или морские черви. Ученые подсчитали, что подобное судно не только будет обладать большей скоростью, но и потребует при своем движении меньших затрат энергии.
Но, пожалуй, еще больший интерес для техников представляет реактивный движитель кальмаров. Отработанный природой на протяжении сотен миллионов лет, доведенный до самой высокой степени совершенства, гидрореактивный движитель позволяет кальмару легко совершать тысячемильные переходы. По имеющимся в литературе сведениям, диапазон скорости плавания кальмаров колеблется от 35 до 65 километров в час. Такой разброс данных объясняется тем, что прямых измерений скорости плавания кальмаров до сих пор провести не удалось, хотя попыток было немало. Некоторые исследователи головоногих моллюсков полагают даже, что на небольшой дистанции кальмар может двигаться со скоростью 100—120 километров в час! Разумеется, к таким недоказанным предположениям следует подходить осторожно. Но что гидрореактивный движитель куда совершенней гребного винта — это несомненно. Тут нам подсказывает сама природа: чтобы будущие подводные корабли были и быстроходными и экономичными, на них надо ставить движители по образцу кальмаровых.
Подобный движитель и даже без подсказки природы уже создан. Он называется водометным, и в Советском Союзе суда с водометами плавают уже на многих реках. «Реактивному» кораблю не страшны ни мели, ни водоросли, ни рыбацкие сети, для него необязательны причалы, ибо он может приткнуться едва ли не к любому берегу, если только нет волны или прибоя. Но как это ни странно, широкого распространения этот движитель не нашел. Дальше небольших пассажирских судов, тракторов-амфибий, разных «малых корабликов» дело не двинулось.
Для передвижения под водой хорошо иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Поэтому идет поиск конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушнореактивному, то есть такого, в котором двигатель и движитель составляют одно целое. Химики уже работают над синтезом особых веществ, способных гореть в воде, как бензин или керосин в воздухе. Располагая необходимым горючим, творцы нового «подводного» мотора, несомненно, учтут опыт создания авиационных реактивных двигателей и обязательно воспользуются подсказкой природы, которая создала «живую ракету» — кальмара.
Дельфин, меч-рыба, кальмар... Мы коротко рассказали, чем их опыт может послужить судостроению. Но есть еще тунец, акула, кит, множество других морских животных, и у каждого найдется не один, не два «патента»!
Разумеется, бионику и даже специалисту судостроителю 70-х годов нашего столетия трудно представить себе во всех деталях, какими будут корабли, скажем, через пятьдесят лет. И все же давайте совершим мысленную экскурсию в морской порт 2025 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, огромный «белый кит» и... исчезает под водой. Пройдет немного времени (путь из Европы в Америку под полярными льдами займет не более суток), и столь же неожиданно он вынырнет из глубин океана в другом полушарии...
Изот Литинецкий, кандидат технических наук
