В. Жуков - Физика в бою

Таким образом, кораблестроители оказываются вынужденными искать «обходные маневры» и призывать в союзники не только гидродинамику, но и физику в широком смысле слова, чтобы «обмануть» природу и создать еще более быстроходные корабли.

Известно, что некоторые инженерно-физические задачи нередко лучше всего решаются в живой природе. Вот почему в поисках путей преодоления «барьера трения», стоящего на пути повышения скоростей подводных лодок, зарубежные гидродинамики принялись разгадывать некоторые «биологические секреты». И это не удивительно. Ведь считается, что отдельные разновидности дельфинов могут развивать скорость до 45 км/час, а меч-рыба — до 90 км/час. Но дело не только в абсолютных величинах скоростей. Ученые уже давно установили, что сопротивление дельфина, рассчитанное обычным для кораблестроения способом, оказывается примерно в 8—10 раз больше того, которое способна преодолевать мышечная система животного.

Это удивительное несовпадение, получившее название «парадокса Грея», объясняется по-разному. Некоторые ученые считают, что кожный покров дельфина благодаря своей гладкости и эластичности, обусловленным свойствами не только самой кожи, но и толстого жирового подслоя, гасит, или, как еще говорят, демпфирует возмущения в потоке воды, которые могли бы срывать ламинарный режим течения вблизи тела дельфина и переводить его в турбулентный. При ламинарном движении жидкости отдельные струйки — слои воды — текут параллельно, обтекая препятствие равномерными слоями (в отличие от турбулентного — вихревого, хаотичного движения). Известно, что при ламинарном, или слоистом, обтекании тела, когда слои жидкости не перемешиваются друг с другом, сопротивление трения пропорционально скорости в степени 1,5. При турбулентном режиме течения жидкость вокруг движущегося тела интенсивно перемешивается (рис. 8 — вверху), и сопротивление пропорционально почти что квадрату скорости. Правда, ламинарное течение неустойчиво, и для его поддержания необходимы особо благоприятные условия. Но ученые считают вполне вероятным, что при обтекании кожи дельфина такие условия как раз существуют.

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.