Физика в бою

Учитывая реальные возможности этих направлений, американские специалисты считают вероятным, принципиально возможным повышение скоростей хода атомных подводных лодок как максимум до 50 узлов (90 км/час). Полагают, что лодки со столь высокими скоростными качествами будут более всего походить на торпеды. На них уже не останется таких выступающих частей, как ограждение рубки или выходящие за обводы корпуса обтекатели гидроакустических станций, а их наружная обшивка приблизится по гладкости к полированной поверхности. Но даже при этих условиях будет необходимо еще и значительное повышение мощности энергетической установки.

Конечно, 90 км/час — это огромная скорость для водной среды. Но в иностранной печати можно встретить заявления, что в дальнейшем и она не будет считаться достаточной. Например, американский специалист-подводник Ч. Момсен считает, что лодки будущего должны обладать скоростью подводного хода 110 км/час и более. А в выступлениях других специалистов встречаются и такие цифры, как 130–165 и даже 185 км/час (100 узлов).

Какими же путями можно обеспечить подводным лодкам столь высокие скоростные качества? Ведь одним повышением мощности механизмов здесь не обойтись. Это подтверждается расчетами американских инженеров, которые показывают, что, например, для-достижения скорости в 110 км/час удельный вес ядерных энергетических установок должен быть не более 4 кг/л.с. Но в настоящее время по этим расчетам он выше в 12–15 раз, и лишь в перспективе ожидается его снижение вдвое-втрое. Следовательно, для выхода за рубеж 90 км/час нужно изыскивать принципиально новые способы снижения сопротивления.

Еще труднее решается проблема больших скоростей для надводных кораблей и судов. В отличие от глубоко погруженных подводных лодок, сопротивление движению которых обусловлено в основном силами трения воды о их обшивку, у надводных кораблей есть еще и так называемое волновое сопротивление. Дело в том, что с повышением скорости резко возрастает интенсивность вызванного движущимся кораблем волнообразования. Образовавшаяся система волн неотступно следует за кораблем, приводя к такому распределению сил давления воды по корпусу, которое сильно увеличивает его сопротивление. Вот почему даже возрастание мощности машин вдвое-втрое могло бы дать лишь 10—20-процентное приращение скорости корабля.

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 %.