Судно на гидравлической подушке

Суда с динамическими способами поддержания на воде прочно вошли в обиход,и обычно динамическое поддержание ассоциировано с решением проблемы скоростного движения по воде.Водоизмещающий режим требует преодоления постоянного сопротивления находящейся ниже ватерлинии толщи воды,требуемая для которого сила увеличивается пропорционально квадрату скорости.Естественно,что целесообразным решением было признано поднять корпус над водой.Впервые это было предложено Сведенборгом уже более двух веков назад - ещё во времена парусного флота - он предложил приподнять корабль над водой нагнетаемым под днище воздухом.Примечательно,что идея приподнять корабль связывалась с использованием воздушной,а не водной среды - конечно,активность первой во времена паруса была человеку более знакома,чем реактивность второй...

Поскольку уж оказалась упомянута воздушная подушка,стоит взглянуть на специфику её применения.Как раз этот вариант создания подъёмной силы может быть не связан со скоростным движением и решать другие задачи.Кроме скеговых СВП/достаточно мореходных,в отличие от обычных/,все аппараты на воздушной подушке могут двигаться как над водой,так и над сушей - то есть вроде бы обладают ценнейшим свойством - амфибийностью.Однако как сухопутный транспорт СВП практически не используются...Причин тому несколько,из которых не все технического характера.На современной суше мало свободного пространства,пригодного для движения воздушных машин: по дорогам общего пользования они двигаться не могут,по лесу и гористой местности тоже.Кроме того,большинство существующих СВП не могут вылезти на сколько-нибудь крутой берег,для этого им просто не хватает тяги /ныне применяемый воздушный винт для них крайне неэффективен/.Для крупных же кораблей с воздушной разгрузкой о выходе на сушу вообще не может быть речи...Поэтому амфибийные аппараты на воздушной подушке,выделенные в особую категорию,целесообразно развивать в соответствии с их специфическими задачами,а суда как таковые вездеходными задачами "не нагружать".

И вот,в свете сделанного расклада и посмотрим на способы динамического поддержания судов.Судно находится на/в/ воде - среде,которая в 1000 раз плотнее воздуха,да притом ещё несжимаема.Конечно,двигаться,преодолевая её сопротивление,- в принципе плохая идея,если бы это было таковой,а не данной природой неизбежностью.При этом обеспечивающая плавучесть архимедова сила - хорошее подспорье,дающее статическое поддержание и безопасность при динамическом.Поднимаясь над водной поверхностью с помощью нагнетённого воздуха,судно изолируется от горизонтального контакта с водой,сохраняя вертикальный через сжатый воздух - довольно странная ситуация: механически тело находится в воздушной среде,но при этом всё же опирается на воду.В данном контексте невозможно не вспомнить о высказанной автором идее опорно-реактивного движителя,но он тоже использует воздушную среду,а подходит больше для твёрдой поверхности.
20-й век показал,наконец,возможность использования воды и для полёта над ней: появились суда на подводных крыльях.Они были связаны исключительно со скоростным движением - стали следующим этапом развития после глиссирующих катеров,- поддержание выведенного из воды корпуса на погруженных в неё крыльях - безусловно,более совершенный способ,чем опора на транец отклоненного корпуса.Подводные крылья,в принципе соответствующие четырём точкам опоры,- идеальный вариант для обеспечения стабильного движения,и без бортовой и без килевой качки.

Рациональный путь - использование для создания движущей силы среды движения.Для судна,значительной частью корпуса погруженного в воду,средой движения является вода.Здесь можно возразить,- что для всего,находящегося на Земле,неизбежной средой движения является воздух.Что же,нужно определиться с понятием среды движения.Будет для трактора воздух средой движения? По здравому смыслу - нет.Средой движения является та,которая вызывает ощутимую /то есть такую,которой нельзя пренебречь/ динамическую реакцию.На скоростях до 40 узлов сопротивление воздуха преодолевается без существенных затрат тяги,- в отличие от сопротивления воды,которое где-то после 30 узлов делает практически невозможным движение в водоизмещающем режиме.Первым шагом к использованию динамики водной среды для облегчения движения был,вероятно,случайно обнаруженный эффект подъёма корпуса на носовых обводах и отклоняемом назад днище,- уже упоминавшееся естественное,так сказать,глиссирование.Подводные крылья стали следующим шагом...

Справедливости ради нужно заметить,что воздушная среда даёт более широкие возможности для создания различных подъёмно-тяговых "буферов",чем водная.Воздух при своей малой начальной плотности сжимаем,что позволяет получать значительную подъёмную и/или/ движущую силу при небольшом лобовом сопротивлении.При этом сама сжимаемость даёт амортизирующий эффект,позволяющий гасить удары о поверхность,жёсткие для судов,"напрямую" контактирующих с водой.Однако многократно сжимаемый воздух - это уже не естественная среда движения,а скорее искусственно приготовленное рабочее тело,наподобие использования воздуха в воздушно-реактивных двигателях.На сжатие воздуха /между прочим,при любом варианте его использования/ затрачивается мощность,которая могла бы не расходоваться при использовании несжимаемой среды.

Все аппараты на воздушной подушке - СВП,кроме скеговых,получившие новый скачок популярности экранопланы,- находятся в зависимости от динамики воздушной среды,что ограничивает их мореходность и зачастую делает небезопасными.Экраноплан на скорости 500 км/ч по бурному морю двигаться не сможет,суда на статической воздушной подушке могут быть буквально остановлены встречным ветром и сбиты с пути боковым.Оторвавшись от воды в пользу воздуха,корабелы поставили себя в жёсткую зависимость от него.

Подводные крылья - рациональный способ динамического поддержания для скоростного судна.И здесь нужно отметить одно преимущество статической /как её условно называют/ воздушной подушки - независимость от скорости движения,судно может "висеть" на ней и стоячим.Часто возражают,- якобы для судна,в отличие от летательного аппарата,такая возможность значения не имеет.Однако,во-первых,разгрузка от лобового сопротивления воды была бы полезна и на небольших,"доглиссерских",скоростях; во-вторых,вывод корпуса из воды позволяет обеспечить мореходность при небольшой общей высоте борта,что увеличивает возможности судна в целом; сделав роль плавучести в поддержании судна на воде минимальной,можно сделать его предельно тяжёлым; в-третьих,независимость подъёмной силы от скорости движения значительно расширяет эксплуатационные возможности судна,делает его удобным для использования.

---------------------------------------------

В принципе идея гидравлической подушки,не связанной с поступательным движением судна,уже существует и имеет прецеденты реализации.Известно изобретение,названное его автором "гидролётом",представленное в 70-х годах минувшего века в СССР.Рабочим органом предложенного его изобретателем аппарата были наклонные полупогруженные лопастные роторы,подобные вертолётным винтам.Он построил натурные модели такого судна,они оказались в принципе работоспособны.Однако изобретение подверглось уничтожающей критике экспертов,в принципе справедливой: не оправдывали себя ни энергетические затраты,ни громоздкость,неудобство и опасность конструкции.

Вероятно,ошибкой создателя "гидролёта" было прямое создание подъёмной силы на лопастях роторов.А можно ведь получить гидравлическую подушку нагнетанием воды под днище,подобно тому,как получают подушку воздушную,нагнетая под него воздух.Причём в принципе энергетические затраты должны быть меньше,так как не будет затрачиваться мощность на сжатие среды.
Подводное крыло работает во встречном потоке воды.В традиционном варианте этот встречный поток возникает в результате движения судна.При этом для достаточной подъёмной силы - способной поднять корпус над водой - нужна определённая скорость /заметим,что при скорости,превышающей требуемую,судно выскочит крыльями из воды и работа системы нарушится; с проблемой регулирования подъёмной силы на подводных крыльях в своё время столкнулся Р.Е.Алексеев,поначалу экспериментировавший с механизацией крыла,но впоследствии отказавшийся от неё из-за сложности управления судном с таким крылом/.Если же работа крыла - сила нагнетаемого на него потока - не будет зависеть от скорости судна,означенная проблема отпадёт.Да и эксплуатационные возможности расширятся - судно сможет "лететь" на малом ходу,например,при сильном волнении,- когда скоростное движение невозможно,а поднятие корпуса над водой очень желательно.Наконец,в стоячем положении /например,при спасательных операциях/ на бурной воде поднятие корпуса и его динамическая стабилизация будут полезны.

Теоретически возможен способ создания гидравлической подушки - нагнетать специальными лопастными роторами воду под днище /для этого либо роторы должны располагаться с наклоном,либо днище иметь особый угловой профиль/.Однако работа нагнетателей потребует затрат энергии,бОльших,чем идут на движение судна.Так что от такого варианта гидравлической подушки следует отказаться.

Рационально совместить нагнетание воды для подъёмной силы с работой основного движителя.Винты достаточно мощного судна выполнить эту задачу могут.Нужно направить отбрасываемый ими поток так,чтобы он создавал реакцию на днище или специальной несущей плоскости.Второй вариант предпочтительнее,так как работа крыла использует объёмный эффект потока - нагнетание на нижнюю поверхность и сброс давления на верхней; поэтому энергетическая эффективность у крыльевой системы выше,чем у редана,только принимающего давление воды.
В принципе вырисовывается простая и ясная схема: за гребным винтом,"по совместительству" выполняющим роль гидронагнетателя,устанавливается подводное крыло,омываемое его потоком и таким образом выполняющее свою функцию.Естественно,расположение винтов у такого судна будет нетрадиционным: если крыла два - одно - спереди,другое - сзади /как у традиционных СПК/,то одна группа винтов должна находиться спереди,перед перед передним винтом,другая - сзади  - перед задним.Чтобы роль нагнетателей не препятствовала основной функции винтов,между ними и кромкой крыла делается достаточный зазор,позволяющий проходить части отбрасываемого потока.

Выше описанная примитивная схема явно нуждается в усовершенствовании с некоторым усложнением.Речь всё-таки идёт о гидравлической подушке,а не просто крыле с принудительным омыванием.Систему отражения воды можно сделать более эффективной,а при этом и более удобной конструкцию /гидравлическая подушка с глубоко сидящими крыльями - эксплуатационно не лучшее решение/.Ещё раз посмотрим на работу крыла: засасываемую воду оно отбрасывает за себя,вверх и назад; при этом по принципу Бернулли поток ускоряется по отношению к давящей на нижнюю сторону крыла части.Было бы рационально использовать этот ускоренный поток для создания дополнительной реакции на отражающей поверхности.В роли последней и выступит днище.Крыло можно расположить достаточно близко к днищу,чтобы отбрасываемый крылом поток давил на него.При этом,чтобы для отбрасываемой крылом воды было достаточно пространства,в днище сделать надкрыльевую нишу,глубина которой будет увеличиваться по направлению задней кромки крыла,где скорость отбрасываемого им потока максимальна и наибольшим будет объём ускоренной воды.

Видится ещё один момент требуемого усовершенствования схемы.Часть воды с крыла - из-под днища будет утекать в стороны,что соответствует бесполезному расходу части энергии.Поэтому крылья с винтами нужно оградить днищевым бортом,удерживающим нагнетённую воду.Чтобы уменьшить создаваемое конструкцией гидродинамическое сопротивление,между передним и задним винто-крыльевыми комплексами глубина днищевого борта должна быть уменьшена до нуля /то есть по центру днища вода должна проходить свободно/.