В. Жуков - Физика в бою

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 %.

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.