В 1716 году шведский инженер и естествоиспытатель Эммануэль Сведенборг предложил направлять поток воздуха под днище корабля с помощью винтов, приводимых в движение мускульной силой человека. Идея была обречена на провал, так как человеческих возможностей недостаточно даже для того, чтобы таким образом поднять хотя бы маленький корабль. Что уж говорить про большие суда, груженые различными товарами или людьми. Для реализации этой задумки нужны были не человеческие мышцы, а мощный двигатель, который к тому времени ещё не изобрели. Сведенборг осознал утопичность идеи, забросил ее и ударился в исследование духовных материй, чем впоследствии и прославился. Однако плод его «больной фантазии» не был столь уж бредовым. Он стал прообразом технологии воздушной подушки, получившей распространение в XX веке, когда наконец появились мощные судовые моторы.
Что такое воздушная подушка и зачем она нужна
Воздушная подушка представляет собой повышенное давление воздуха, создаваемое либо между несколькими элементами единого механического устройства (например, пара «головка-магнитная поверхность» жёсткого диска или пара «лента-вращающаяся головка» видеомагнитофона), либо в ограниченной зоне опорной поверхности, над которой движется некий аппарат. Ее главная задача — стать «воздушной смазкой», уменьшающей трение между соприкасающимися поверхностями.
Принцип работы воздушной подушки основан на разнице давлений воздушных потоков внешней среды (низкое давление) и внутренней камеры устройства (высокое давление). Благодаря ней возникает подъемная механическая сила, достаточно сильная, чтобы оторвать объект на небольшое расстояние от опорной поверхности. При этом высота отрыва зависит от величины этой разницы: чем выше давление в подушке по сравнению с давлением внешней среды, тем выше будет подъем.
Подушка нашла применение в различных сферах. Например, в медицине ее используют для уменьшения боли пациентов, пострадавших при пожаре — технология позволяет им лежать, не касаясь обгоревшей частью тела кровати. В бытовой технике, такой как пылесосы и газонокосилки, центробежный вентилятор направляет воздушные потоки под дно, обеспечивая легкость управления агрегатом. В различных приборах, например, гироскопах, подушка играет роль «воздушного подшипника». Но шире всего она применяется в водных транспортных средствах.
Воздушная подушка против сопротивления воды
Для корабля главное препятствие к развитию высокой скорости — сопротивление воды, в которую погружена часть его корпуса. Вода почти в 800 раз плотнее воздуха, и какой бы тюнинг не делали для лодки, какие бы двигатели на нее не ставили — ее возможность разогнаться всегда будет ограничена. Отсюда логика подсказывает вывод: чтобы уменьшить или исключить сопротивление воды (и, как результат, увеличить скорость), нужно вытащить судно из нее. Корабль должен не плыть по воде, а скользить над ней. Здесь и возникает решение — воздушная подушка. Опираясь на слой сжатого воздуха, корабль «полетит» над водной поверхностью и уже сможет разогнаться до приличных скоростей.
Существует два класса транспортных средств, использующих технологию воздушной подушки. Их выделяют на основании принципа ее формирования — динамического (экранопланы) или статического (судна на воздушной подушке или ховеркрафты).
Низколетящий самолет на воздушной подушке
Экраноплан — аэродинамическая машина, которая формирует воздушную подушку в движении «экранным» способом при одновременном взаимодействии с большой ровной отражающей поверхностью — «экраном» (водной гладью, льдом или землей). Внешне он выглядит как низколетящий самолет, который также является водным судном и может плыть как обычный корабль.
Экраноплан передвигается благодаря двум силам. При поступательном наборе скорости его аэродинамический профиль (крыло) перемещается сквозь поток воздуха. Поскольку профиль несимметричен, поток над крылом проходит больший путь, чем под ним, и воздух сверху разгоняется быстрее. Это приводит к уменьшению статического давления: под крылом оно становится выше, чем над ним. В результате возникает подъемная сила, как у обычного самолета. Экраноплан начинает лететь. Однако в отличие от самолетов он не поднимается высоко: обычно расстояние до поверхности воды, льда или земли во время перемещения не превышает 1,5 метров. За счет этого между нижней поверхностью и экраном формируется воздушная подушка. Сила, образующаяся благодаря ней, дополняет «классическую» подъемную силу и благодаря этому изменяет несущие свойства крыла. Во-первых, скорость движения аппарата становится очень высокой (экранопланы разгоняются до 600 км/ч). Во-вторых, значительно повышается грузоподъемность, а в-третьих — экономнее расходуется топливо.
Экраноплану все равно, над чем лететь, а также ему не нужна инфраструктура — мосты, дороги, взлетно-посадочные полосы. Важен только ровный участок суши или достаточных размеров водоем. При этом они безопаснее и живучее самолетов: при любой форс-мажорной ситуации экраноплан легко садится на воду. Даже если все авиационные двигатели выйдут из строя, экраноплан сможет продолжить путь. Запустив корабельные моторы, он пойдет как обычная лодка.
Экранопланы в России
Несмотря на то, что экранопланами занимались многие иностранные инженеры-энтузиасты, это по праву российское ноу-хау: на эффект динамической воздушной подушки впервые обратили внимание в СССР (американцы осознали перспективность направления только в 1990-м году). Один из первых проектов экраноплана разработал П. И. Гроховский в 1932 году: по его версии внешне аппарат должен был выглядеть как космический корабль.
Отцом-основателем «экранопланной мысли» считается советский конструктор Ростислав Алексеев (в вашингтонской Галерее выдающихся личностей XX века даже есть его портрет). Под его руководством были разработаны аппараты серии СМ, КМ, Орленок, Лунь и др. Один из самых известных в мире экранопланов работы Алексеева — Каспийский монстр — получил свое название благодаря ЦРУ. В 60-е годы американская разведка обнаружила на спутниковых снимках на берегу Каспийского моря необычный летательный аппарат, который был настолько огромен (размеры сравнимы с футбольным полем), что с трудом верилось в его реальность. На его корпусе видны были буквы КМ, и в Лэнгли, не долго думая, расшифровали аббревиатуру на свой лад — «Каспийский монстр». И, в принципе, такое название ему больше подходило, чем настоящее и скромное «корабль-макет». Ведь КМ имел размах крыла 37,6 м, длину - около 100 м, достигал скорости в 500 км/ч, весил почти 550 тонн и мог взлетать на высоту от 4 до 14 метров даже при волнении в море в 5 баллов. Позже на его базе разработали не менее известный корабль «Лунь», прозванный «убийцей авианосцев».
В советское время экранопланы в основном разрабатывали для ВМФ, поэтому они были такими огромными («Лунь» имела восемь реактивных двигателей и несла на себе шесть противокорабельных ракет «Москит»). Сейчас такие махины уже не строят — экранопланы используются в качестве грузового и пассажирского транспорта, например, в Карелии, где бессчетное количество рек и озер. Современные «летучие корабли», как правило, вмещают от 10 до 30 человек, имеют вес до 10 тонн и разгоняются до 200 км/ч. Среди них – «Акваглайд», «Орион», «Буревестник-24», «Волга-2», «Иволга» ЭК-12.
Экраноплан «Орион-10» может подниматься в воздух на 20 метров, развивает скорость до 200 км/ч, и помимо членов экипажа вмещает восемь пассажиров. Его старший брат «Орион-20» берет на борт тонну груза или 20 пассажиров и разгоняется до 250 км/ч.
Среди современных проектов следует упомянуть аварийно-спасательный экраноплан нового поколения «Чайка-2» А-050. Судно еще в разработке, однако американское развлекательное издание We Are the Mighty уже посвятило ему целую статью под заголовком «Забудьте Годзиллу. Россия строит нового морского монстра». По плану длина судна составит 34,8 м, ширина — 25,35 м. «Чайка» сможет летать как в режиме экраноплана, развивая скорость 360-400 км/ч, так и во «внеэкранном» режиме, разгоняясь до 450 км/ч.В первом случае максимальная дальность полета составит 3000 км, а в последнем — 1900 км.
Парящая лодка на воздушной подушке
Ховеркрафт (от англ. «hover — парить) или судно на воздушной подушке (СВП) формирует воздушную подушку статическим способом (независимо от движения) — нагнетанием воздуха под днище.
В очень упрощенном виде устройство таких лодок представляет собой перевернутую тарелку. Вентилятор создает воздушные потоки, которые заполняют камеру внутри аппарата (под днищем), создавая там повышенное давление. Разница давлений генерирует подъемную силу, благодаря которой судно «взлетает» над поверхностью. Высота полета, конечно, меньше, чем у экраноплана (крыльев-то нет), но достаточна для того, чтобы перемещаться не только по воде, но и по льду, снегу, болоту, песку, траве, а, по мнению ведущих передачи «Разрушители мифов», даже минному полю (не стоит повторять этот эксперимент!). Как и экранопланы, СВП обладают высокой грузоподъемностью, а за счет того, что уходит сопротивление воды, они развивают высокую скорость до 100-130 км/ч.
Но есть одно «но»! Когда под ховеркрафтом растет давление, и он начинает приподниматься, по его краям образуются зазоры. Они становятся местом утечки драгоценного сжатого воздуха, а, значит, либо подушка становится менее мощной, либо нужно тратить больше энергоресурсов для ее поддержания. Чтобы этого не происходило в разное время конструкторская мысль изобрела несколько решений: скеги, юбку и сопловый способ подачи воздуха. Их главная задача — сделать так, чтобы под днищем всегда было достаточное давление, а воздух минимально «разбегался» по сторонам.
Скеги — жесткие стенки или баллоны, которые по бортам ограждают подушку и не дают ей «сдуваться». Поскольку они погружены в воду, такая конструкция пригодна только для лодок, предназначенных для движения исключительно над водной поверхностью. Впервые идею скегов реализовал в 1916 году австриец Дагоберт Мюллер фон Томамюль. Он построил торпедный катер с продолговатыми металлическими килями, которые шли по борту и удерживали воздух. В результате такого тюнинга судно разгонялось до 70 км/ч. В СССР скеговые катера строил конструктор Владимир Левков. Один из них — «Л-5» — на испытаниях показал невиданную ранее скорость в 130 км/ч.
«Юбка» — это гибкое ограждение, которое окружает днище и позволяет стабильно удерживать мощную воздушную подушку. Благодаря ней судна могут преодолевать препятствия. Например, если лодка встречается с преградой вроде сугроба или мощной волной, то она может ее спокойно обогнуть. Юбка при этом немного продавится, но затем непрерывно поступающий в подушку воздух быстро возвратит ее в первоначальное состояние. Многие историки считают, что именно изобретение юбки привело к расцвету СВП.
При сопловой подаче воздуха нагнетаемый вентилятором поток подается под днище не через широкую трубу, а с помощью наклоненных внутрь сопел, расположенных по периметру судна. Суть в том, что при использовании этого метода струи воздуха изгибаются так, что центробежные силы, действующие на криволинейно движущиеся частицы воздуха, уравновешиваются повышенным давлением под днищем, и воздушная подушка «запирается».
Сопловый способ работы придумал британский изобретатель-энтузиаст Кристофер Коккерелл. Он проводил множество экспериментов с жестяными банками, размещенными на весах с гирями. Британец разными способами закачивал под них воздух и однажды обнаружил, что чем тоньше отверстия для подачи воздуха, тем давление сильнее. И если окружить днище судна узкими соплами и подавать через них маленькими струйками сжатый воздух, подушка станет гораздо мощнее. По сопловой схеме в 1959 году был построен ховеркрафт SR.N1. На нем англичане пересекли Ла-Манш. Эта конструкция считается наиболее эффективной и экономичной. На ее базе строятся почти все коммерческие и военные суда на воздушной подушке в мире. А для увеличения высоты «полета» таких ховеркрафтов, их грузоподъемности и уменьшения энергозатрат их часто дополняют «юбкой».
СВП в России
Как и в случае с экранопланами, СВП в России строили в основном для нужд ВМФ. Один из первых проектов — «Джейран»(1970) — был вооружен двумя установками АК-30 и мог вместить 2 танка вместе с 200 пехотинцами. Перевозя на борту весь этот груз, «Джейран» разгонялся до 100 км/ч.
Разрабатывались и менее внушительные суда, например десантно-штурмовой катер «Скат» (на 40 пехотинцев) или десантовысадочный корабль «Кальмар» (на 1 средний танк Т-54 или 2 легких танка ПТ-76 или 120 пехотинцев).
Однако русских всегда тянет на масштабные проекты. И в 1988 ВМФ России был передан в эксплуатацию самый большой в мире ховеркрафт с подходящим названием — «Зубр». Этот монстр водоизмещением в 550 тонн мог принять с необорудованного берега и перевезти на себе до 150 тонн груза: например, 3 танка Т-80 и 80 морских пехотинцев. Он спокойно преодолевал рвы, траншеи и болота и разгонялся до 130 км/ч. В 2000 году во время испытаний экспортной греческой версии «Зубра», тот ненароком раздавил грузовик, который просто не заметил в темноте.
Благодаря всесезонным и вездеходным качествам ховеркрафтов они активно используются пассажирскими перевозчиками и аварийно-спасательными службами.
Большие СВП пассажировместимостью до 50 человек ходят по Волге. Например, в Нижнем Новгороде выпускают один из самых вместительных ховеркрафтов «Хивус». Его версию «Хивус-48» можно эксплуатировать при высоте волн до 2,5 м на несудоходных акваториях, мелководье, обледеневших и заснеженных местностях. Ховеркрафт разгоняется до 70 км/ч и может работать при температурах от -35 до +40 градусов.
СВП средних и малых размеров используются МЧС при поиске и эвакуации пострадавших на воде или льду. Спасательные и патрульные службы используют «Славиры», «Хивусы», «Нептун-15» (15 человек или 1500 кг груза) и другие суда.
Высоко оценивают «амфибийные» свойства ховеркрафтов и любители активного отдыха на природе. Малые СВП не только хорошо подходят для бездорожья, по которому часто добираются на охоту или рыбалку. С ними не нужно беспокоиться о недостаточной толщине льда, а также искать причал — выезжаете на берег, глушите мотор и вперед за приключениями! Более того, за счет малых размеров СВП, как правило, умещаются в обычном легковом прицепе.
Например, ховеркрафт Jetter (резидент «Сколково») имеет габариты 4 х 2 х 1,5 м, весит 290 кг и рассчитан на двух пассажиров. Благодаря компактности он очень маневренен и забирается в любые непроходимые для других судов места. На нем можно рыбачить в ледостав, охотиться в болотистой местности или просто гонять в свое удовольствие. По воде Jetter разгоняется до 75 км/ч, по льду— до 100 км/ч. В СВП встроены обогрев сиденья и ручек, стереодинамики для радио или плеера, крепление и зарядка для смартфона, держатель для удочки и эхолота. На случай дождя предусмотрен тент.
В заключение
Несмотря на то, что и экраноплан, и ховеркрафт — представители водного вида транспорта, по физике своего движения они все-таки скорее близки к самолетам, чем к лодкам. Ведь двигаются-то они не ПО воде, а НАД ней. Такой вид транспорта — не «летучая лодка», а «низколетящий» самолет.