Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

По существу, судно движется вперед, в то время как лента по отношению к поверхности воды движется назад.

Для обеспечения максимальной тяги и подъемной силы на всех режимах движения бесконечная лента всегда движется параллельно поверхности воды. Эту задачу не удавалось решить в прежних конструкциях аналогичных судов. В данной конструкции применена пара подвижных роликов, установленных в носовой части, которые позволяют менять угол атаки в широких пределах. Изобретение предусматривает также установку в кормовой части ролика небольшого диаметра, способствующего отрыву потока воды от ленты, а также использование устройства, предотвращающего засасывание воды под днище.

«Бегущий по волнам». (С разрешения журнала. New Scientist.)

New Scientist, July 13, 1967, p. 78:

Проводятся испытания нового судна, которое вполне может стать конкурентом как судов на подводных крыльях, так и аппаратов на воздушной подушке. В конструкции используются вращающиеся цилиндры, установленные по обоим бортам на носу и корме судна, которые не только приводят судно в движение, но и создают подъемную силу, так что судно практически не касается воды. В результате гидродинамическое сопротивление существенно уменьшается, что позволяет судну двигаться с большой скоростью. Судя по всему, максимальный кпд достигается при скорости в 75 узлов.

Новое применение эффекта Магнуса было предложено советским инженером Виктором Подорвановым на основании ряда экспериментов по определению подъемной силы, создаваемой вращающимися цилиндрами разного диаметра при различных скоростях вращения и поступательного перемещения. В ходе этих экспериментов была получена точная информация относительно затрат мощности, необходимых для достижения желаемого эффекта. Обращает на себя внимание также тот факт, что подобное судно не создает килевой волны.

Опытный образец судна имеет два больших цилиндра, установленных с обоих бортов в носовой части, и два цилиндра поменьше — в кормовой части. Все четыре цилиндра приводятся в движение одним двигателем посредством гидравлической передачи. В начальный момент все цилиндры частично погружены в воду. Но по мере того, как судно набирает скорость, цилиндры поднимают его корпус все выше над водой — в конце концов корабль практически отрывается от воды и начинает перемещаться скачками. Поэтому его приходится снабжать вертикальным килем-стабилизатором и воздушным рулем, как у самолета. Да и весь корпус судна напоминает по своим очертаниям скорее самолет, чем корабль.

В настоящее время проводятся морские испытания с целью проверить, как такое судно справляется с волнами. Уже получены некоторые данные относительно эффективности подобного способа передвижения, и разработчики утверждают, что затраты мощности «существенно меньше», чем в случае судна таких же размеров на подводных крыльях. При скорости в 60 узлов цилиндры едва касаются воды, а в промежутках между касаниями судно полностью находится в воздухе. Утверждается, что достигнутая крейсерская скорость в 75 узлов может быть удвоена и даже утроена за счет усовершенствования профиля цилиндров и повышения скорости их вращения.

Если испытания докажут работоспособность конструкции, то такое судно способно конкурировать с аппаратами на воздушной подушке, поскольку оно способно перемещаться и по воде, и по суше. Благодаря цилиндрам такой корабль сможет выкатываться на берег или подниматься по наклонному слипу, а если на цилиндры надеть резиновые шины, то и ездить по дорогам. Этому судну не страшны также бревна-топляки и прочие плавучие предметы, поскольку цилиндры свободно перекатываются над ними. Конструкция запатентована (авт. свид. СССР № 184 641, выд. В. П. Подорванову; опубл. «Бюллетень изобретений», 1966, № 15. — Ред.).

Дедал увлекается подводным плаванием, но считает, что существующее снаряжение оставляет желать лучшего. Он предлагает противопоставить основным врагам подводника — холоду и отсутствию воздуха для дыхания — свое новое изобретение: гидрокостюм. Эту идею подсказали ему современные водоотталкивающие ткани, которые не смачиваются водой, но пропускают воздух. По расчетам Дедала, водоотталкивающая ткань с порами диаметром примерно в микрон останется водонепроницаемой даже при гидростатическом давлении в 1 атм. Поэтому он предлагает изготовить для гидрокостюма многослойную ткань из силиконовых волокон диаметром в 1 мкм. Такая ткань по внешнему виду и теплоизоляционным свойствам напоминает шерстяную, однако полностью непроницаема для воды (хотя пропускает воздух и водяной пар).

Костюм из такой ткани защищает тело подводника, а на голову надевается прозрачный круглый шлем, герметично соединенный с гидрокостюмом. Воздух поступает в шлем через множество тонких трубочек, соединяющих его с пористой поверхностью гидрокостюма. Как известно, тонкая пленка из силиконовой резины достаточно проницаема для газов и потому может служить «жабрами», впитывающими растворенный в воде кислород и выпускающими в воду углекислый газ. Дедал утверждает, что свободная поверхность воды в микроскопических порах ткани должна еще лучше пропускать эти газы, так что весь гидрокостюм за счет искривления поверхности жидкости в несмачиваемых порах (площадь поверхности жидкости в нем в несколько раз превышает площадь поверхности ткани) будет служить одной огромной «жаброй». Как лягушка, подводник будет дышать поверхностью всего тела; он будет чувствовать себя одинаково свободно в воде и на суше и сможет погружаться на глубину до 10 м, прежде чем водоотталкивающая ткань под действием гидростатического давления начнет пропитываться водой. Но даже и в этом случае миниатюрный баллон с кислородом, создающий избыточное давление в небольшом свободном объеме внутри гидрокостюма, позволит скомпенсировать действие внешнего давления воды и даст возможность погружаться на более значительную глубину. Впрочем, как и для других обитателей морских глубин, для подводника большую опасность будет представлять загрязнение воды поверхностно-активными веществами, которые ослабляют поверхностное натяжение воды. Вода станет проникать в поры гидрокостюма, и мокрый, продрогший подводник, хватая ртом воздух, постарается быстрее выскочить на поверхность.

New Scientist, November 25, 1976

Какой диаметр должны иметь поры, чтобы ткань не пропускала воду при избыточном давлении в 1 атм (Δр = 105 Н/м2)? Величина поверхностного натяжения воды при 10° C равна у = 0,074 Н/м; таким образом, радиус отверстия в абсолютно несмачиваемой поверхности составляет r = 2y/Δр = 2 × 0,074/105 = 1,5 × 106 м, т. е. диаметр равен 3 мкм. Ткань будет иметь примерно такие поры, если делать ее из волокна, имеющего 1 мкм в диаметре. Однако, вероятно, проще получить микропористую силиконовую пленку.

Какова должна быть площадь поверхности? Площадь поверхности наших легких составляет примерно 30 м2. Вообще, легкие представляют собой просто влажную поверхность: кислород растворяется в воде, смачивающей эту поверхность, и диффундирует в кровь. (Когда наши далекие предки вышли из моря на сушу, они захватили с собой некоторое количество воды для дыхания. Мы по-прежнему получаем кислород из воды — просто эту воду мы носим в себе. Занятно!) Можно предположить, что для получения достаточного количества кислорода из воды нам понадобятся те же 30 м2 смоченной поверхности. Заметим, однако, что температура легких равна 37° C; объемная растворимость кислорода в воде при этой температуре составляет всего 0,024, тогда как при 10° C она равна 0,038. Поэтому при более низкой температуре, когда концентрация кислорода в воде выше, можно обойтись меньшей дыхательной поверхностью: А = 30 × 0,024/0,038 = 19 м2. Далее, кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому растворенный в воде воздух уже обогащен кислородом. Известный способ обогащения воздуха кислородом путем аэрации воды позволяет довести концентрацию кислорода до 35 % (в воздухе его содержание составляет 21 %). Поэтому поверхность может быть еще меньше: А = 19 × 21/35 = 11 м2. Наконец, поскольку поверхность воды в порах имеет мениск, эффективная площадь поверхности практически удвоится, так что в конечном счете площадь поверхности гидрокостюма не должна превышать А = 5,5 м2. На пошив обычного костюма идет, как правило, 2–2,5 м2 ткани, — ясно, что не так уж трудно увеличить эту цифру вдвое за счет складок, сборок и рюшек.

Современная авиация находится в опасной зависимости от топливных ресурсов, но запасы природного топлива, как мы вынуждены признать, неумолимо истощаются. Даже возвращение к дирижаблям не устранит этой зависимости, а лишь несколько ослабит ее. В то же время, утверждает Дедал, атмосфера сама является источником даровой энергии, если только у нас достанет ума использовать ее. Дедал имеет в виду быстрое понижение температуры воздуха с увеличением высоты над поверхностью Земли: на высоте 7500 м температура падает до -33°C. Далее Дедал отмечает, что газообразный аммиак легче воздуха, но сжижается при -33°C. Можно было бы подумать, что заполненный аммиаком воздушный шар быстро поднимется до высоты 7500 м, а затем аммиак превратится в жидкость и шар потеряет подъемную силу. К сожалению, дело усложняется тем, что атмосферное давление уменьшается с высотой. В силу этого температура сжижения аммиака понижается, причем на любой высоте она оказывается чуть ниже, чем температура окружающего воздуха. Дедал предлагает решить эту проблему, заполнив аммиаком упругую оболочку, внутри которой постоянно будет поддерживаться избыточное давление в 0,1 атм. Это повысит температуру конденсации аммиака настолько, что он сконденсируется на высоте 10,4 км. Правильно рассчитанный воздушный шар будет бесконечно колебаться вверх-вниз: он быстро поднимется до высоты 10,4 км, потеряет подъемную силу из-за конденсации аммиака и будет опускаться в более теплые нижние слои воздуха до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака, — тогда шар снова пойдет вверх.