В предыдущей статье я писал, как в 60-е годы XX века инженеры всего мира с энтузиазмом взялись за разработку разнообразных аппаратов на воздушной подушке (АВП): судов, поездов, автомобилей, вездеходов, сельхозмашин, опор для промышленного оборудования и даже танков. Однако большинство проектов зашло в тупик, и даже на водном транспорте, где воздушная подушка получила наибольшее распространение, она не смогла серьёзно потеснить традиционные водоизмещающие суда. Почему так получилось и есть ли у АВП перспективы – разбираемся в этой статье.
1. Способы создания воздушной подушки и особенности её взаимодействия с опорной поверхностью
Что такое воздушная подушка и какие транспортные средства относятся к категории АВП?
Начнём с определения: воздушная подушка – это область воздуха повышенного давления, которая образуется под транспортным средством вблизи опорной поверхности. Она может быть создана двумя способами:
- принудительным нагнетанием воздуха под днище за счёт вентилятора (статическая воздушная подушка)
- за счёт набегающего потока воздуха на высокой скорости (динамическая воздушная подушка)
Следует отметить, что динамическая воздушная подушка в том или ином виде может образоваться сама собой под чем угодно, и далеко не всегда это будет полезно (например, повышенное давление воздуха под днищем автомобиля может ухудшить управляемость и даже перевернуть машину). Из этого следует, что если под транспортным средством образуется воздушная подушка, то это ещё не значит, что его можно считать АВП. Важно, чтобы она создавалась преднамеренно и служила для достижения определённых целей.
Немало споров взывает вопрос о том, следует ли относить к аппаратам на воздушной подушке экранопланы. Автор одной интересной статье на Хабре утверждает, что принципиальное отличие между экранопланами и АВП заключается в том, что давление во всём объёме воздушной подушки можно считать одинаковым, а под крылом экраноплана происходят сложные аэродинамические процессы (которые я даже не буду пытаться описать, чтобы не увязнуть в бесконечном споре о подъёмной силе крыла). Я уважаю такой подход, однако мне кажется более естественным считать экранопланы специфической разновидностью аппаратов на динамической воздушной подушке, так как в ином случае определение АВП получится слишком громоздким и неопределённым.
Конструктивные схемы воздушных подушек
Теперь давайте поговорим о том, как можно удержать воздушную подушку под судном (для простоты позволю себе в дальнейшем называть все аппараты на воздушной подушке судами). Нулевой вариант – вообще не предпринимать никаких специальных мер, позволив воздуху свободно покидать зону повышенного давления, а компенсировать это большим поступлением нового воздуха. Воздушную подушку такого типа называют крыльевой, и она характерна для тех самых экранопланов, которые не совсем АВП (и о которых мы больше не будем вспоминать в этой статье).
Крыльевая воздушная подушка наименее экономична, поэтому на классических АВП выход воздуха из-под днища каким-то образом ограничивают. Первый способ запереть воздух в подушке – поместить её в камеру, окружённую по периметру стенкой. Когда под давлением воздуха камера оторвётся от опорной поверхности, под её стенкой образуется кольцевой зазор, через который воздух начнёт утекать. В какой-то момент объёмы уходящего и поступающего воздуха сравняются, и судно повиснет в состоянии равновесия на некоторой высоте. Так устроена камерная (или купольная) схема воздушной подушки.
Чтобы уменьшить расход воздуха ещё сильнее, а заодно улучшить устойчивость, можно заменить кольцевой зазор на кольцевую щёль – так мы получим щелевую воздушную подушку, которую также иногда называют воздушной плёнкой или воздушной смазкой. Пожалуй, эта схема является наиболее простой: модель для экспериментов с ней можно изготовить из лазерного диска, трубки и воздушного шарика. Главный недостаток щелевой воздушной подушки заключается в том, что она работает только на гладких поверхностях.
Если мы всё-таки хотим поднять судно на высоту, достаточную для преодоления хотя бы минимальных препятствий, нам больше подойдёт сопловая схема воздушной подушки, которая сегодня является основной для АВП амфибийного типа (т.е. способных выходить на сушу). Кстати, именно в изобретении сопловой схемы состоит главная заслуга Кристофера Кокерелла, который пришёл к ней в 1950-е годы, подавая воздух в кольцевой зазор между двумя консервными банками. Он выяснил, что эффективнее не просто нагнетать воздух в камеру под днищем, а подавать его в кольцевую щёль по периметру судна, чтобы он выходил узкой струёй и формировал своеобразную воздушную завесу. Это позволило существенно сократить расход воздуха, а значит, уменьшить мощность вентилятора и затраты энергии на его привод.
Наиболее эффективная завеса получается, если направлять воздух к центру судна, однако чтобы оно могло подниматься на достаточную для преодоления препятствий высоту, расход воздуха всё равно должен быть очень большим. Решить эту проблему можно, используя гибкое ограждение (юбку): в этом случае высота парения может быть сколь угодно низкой, а при встрече с препятствием юбка просто сдеформируется. Лучший на сегодняшний день вариант – сочетание гибкого ограждения и сопловой схемы, при котором сопла располагаются непосредственно в юбке и направлены к центру судна.
Впрочем, если наше судно не собирается выходить на берег, то мы можем решить проблему удержания воздуха ещё более радикально и оградить воздушную подушку по бокам жёсткими бортами (скегами), которые будут частично погружены под воду, и получим так называемую скеговую воздушную подушку. В этом случае воздух сможет покинуть подушку только через зазоры на концах судна, которые можно будет прикрыть уже известными нам воздушной завесой и гибким ограждением. Впрочем, можно поступить ещё проще и сделать носовую часть жёсткой, а давление воздуха поддерживать в полости под днищем – так мы получим судно на воздушной каверне.
Помимо снижения расхода воздуха скеги позволяют существенно улучшить курсовую устойчивость, а также погрузить под воду движители и рули, что даёт меньший уровень шума, большую силу тяги, а также лучшую управляемость.
Хоть мы и рассмотрели скеговую воздушную подушку последней, хронологически она появилась раньше сопловой: ещё в 1930-е годы её опробовал на катерах доцент Новочеркасского политехнического института Владимир Израилевич Левков.
Как работает воздушная подушка
Теперь давайте подробнее поговорим о том, что какие преимущества даёт воздушная подушка. Если мы говорим о схемах, способных поднимать судно над поверхностью (крыльевой, щелевой, камерной или сопловой), то первая выгода очевидна: судно получает возможность выходить на берег и, что важнее, ходить по водоёмам зимой. Но зачем делать скеговые СВП?
На первый взгляд, всё просто: воздушная подушка уменьшает осадку, из-за чего сопротивление движению снижается, ведь плотность и вязкость у воздуха намного меньше, чем у воды. В целом это верно, однако есть важный нюанс: сама по себе воздушная подушка не поднимает судно над уровнем воды. Конечно, непосредственно из-под днища вода уходит, однако под судном образуется своеобразная "водяная яма", и относительно горизонта судно остаётся на том же уровне. А это значит, что при движении СВП приходится также деформировать воду, как и водоизмещающим судам, только делают это они не корпусом, а выходящим из-под него воздухом.
Правда, по мере роста скорости "водяная яма" под судном становится всё меньше, и судно приподнимается примерно так же, как это делают обычные глиссеры или суда на подводных крыльях. Тогда что же даёт воздушная подушка? Чтобы в этом разобраться, давайте вспомним, какие факторы мешают двигаться обычным водоизмещающим судам:
- сопротивление формы (известное также как сопротивление давления или вихревое сопротивление), которое является в некотором роде аналогом аэродинамического сопротивления наземных и воздушных транспортных средств, но примерно в 800 раз больше из-за плотности воды
- волновое сопротивление, которое возникает из-за того, что часть энергии судна затрачивается на образование волн и уносится вместе с ними
- сопротивление трения, которое возникает из-за того, что корпус судна скользит относительно воды, преодолевая её вязкость.
Все эти сопротивления тесно связаны между собой, поэтому такое разделение является достаточно условным. Иногда сопротивление формы не выделяют в отдельную категорию, а его вклад перераспределяют между сопротивлениями трения и волнообразования.
На этот раз нас интересует сопротивление трения, ведь именно его позволяет исключить использование воздушной подушки, благодаря чему можно снизить общее сопротивление движению судна на 17-30%.
Теперь давайте поговорим, на что же расходуется энергия у АВП. Если аппарат движется над твёрдой опорной поверхностью, то факторов всего два:
- затраты энергии на поддержание воздушной подушки (в том числе потери импульса, связанные с тем, что воздух захватывается вентилятором и переносится вместе с судном).
- затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха.
Если судно движется над водой, то к ним добавляются затраты на преодоление волнового сопротивления. В зависимости от скорости соотношение потерь меняется: мощность на поддержание воздушной подушки остаётся постоянной, сопротивления воздуха растёт, а волновое сопротивление снижется. Из-за этого график полного сопротивления имеет минимум, который приходится на диапазон скоростей приблизительно от 94 до 165 км/ч [1].
Если сравнивать СВП с глиссерами и судами на подводных крыльях, то их экономическая эффективность определяется соотношением выигрыша от исключения потерь на трение и проигрыша от потерь на поддержание воздушной подушки.
Мощность, затрачиваемая на образование воздушной подушки, определяется произведением давления воздуха на его расход. Чтобы судно могло оторваться от поверхности, давление в воздушной подушке должно быть равно отношению веса судна к площади днища. Расход воздуха пропорционален высоте подъёма судна и периметру его днища. Таким образом, при заданной массе и высоте подъёма судна затраты на поддержание воздушной подушки определяются соотношением периметра днища к его площади. Следовательно, наиболее экономичная форма СВП – круглая.
Кроме того, согласно закону квадрата-куба площадь растёт быстрее периметра, поэтому потери на поддержание воздушной подушки уменьшаются с увеличением площади днища. Из этого же закона следует, что большие СВП экономичнее маленьких в пересчёте на единицу массы. Так, если мы увеличим все линейные размеры судна в 2 раза, то его масса вырастет в 8 раз, а мощность, затрачиваемая на создание воздушной подушки, – только в 4.
В то же время, не следует забывать, что расход воздуха зависит от высоты парения над опорной поверхностью, поэтому при большом волнении, когда вода периодически открывает днище, поддержание воздушной подушки требует повышенных энергозатрат.
2. Достоинства и недостатки АВП
Теперь, когда мы разобрались с азами теории воздушной подушки, настало время основательно поговорить о достоинствах и недостатках аппаратов на воздушной подушке.
Скеговая воздушная подушка
Начнём с судов на скеговой воздушной подушке. Единственное, но очень важное их преимущество перед обычными судами состоит в том, что они имеют меньшее сопротивление движению на высокой скорости. Это позволяет либо увеличить скорость, либо сэкономить на двигателе и топливе. Платить за это приходится установкой системы наддува, которая стоит денег, занимает полезное пространство, шумит и требует обслуживания. Тем не менее, на это соглашались и такие суда активно строили.
Компромиссное решение – отказаться от вентиляторов и ограничиться динамической воздушной подушкой, которая будет создаваться за счёт скоростного напора и специальной формы днища. Правда, вместо полноценной воздушной подушки мы скорее всего получим что-то вроде воздушной смазки, эффект от которой будет не так выражен. Ещё один интересный вариант – выводить в полость под днищем выхлопные газы двигателя, как иногда делают в судах на воздушной каверне.
Если же сравнивать скеговую воздушную подушку с подводными крыльями, то разницы в сопротивлении трения мы уже не увидим. В этом случае преимуществом СВП будет меньшая осадка, позволяющая ходить по мелководьям и причаливать к необорудованному берегу.
Сопловая воздушная подушка
Сопловая воздушная подушка позволяет ещё сильнее уменьшить сопротивление движению, но требует большей мощности для поддержания. В зависимости от размеров, скорости и условий движения судно на сопловой воздушной подушке может оказаться как более, так и менее экономичным, однако в целом можно сказать, что оно эффективнее на гладкой воде при высоких скоростях.
Однако главное достоинство аппаратов на сопловой воздушной подушке заключается в том, что они могут двигаться над твёрдыми поверхностями. Для водного транспорта это означает, что он может эксплуатироваться круглый год, ведь ему не страшны ни лёд зимой, ни мелководья летом. Правда, ради этого приходится отказаться от традиционных водных движителей и устанавливать менее тяговитые, но более шумные и громоздкие воздушные винты.
Вместе с тем, из-за отрыва от опорной поверхности суда на сопловой воздушной подушке хуже держат курс и плохо управляются. Встречный ветер также является для них серьёзной проблемой, ведь по сути СВП движется не относительно воды, а относительно воздуха.
Кроме того, сопловые воздушные подушки дороже и сложнее скеговых. Особенно много проблем доставляет гибкое ограждение, которое достаточно сложно в изготовлении, но при этом не очень надёжно. Если судно часто движется по острому льду или камням, то юбка постепенно изнашивается, из-за чего её приходится менять.
Раз уж мы заговорили о движении над твёрдыми поверхностями, то уместно сравнить АВП с колёсными и гусеничными машинами. Главное достоинство воздушной подушки на суше – минимальное давление на грунт. Это означает, что судно будет уверенно держаться на любом болоте, не говоря уже о снеге или песке. К сожалению, на этом его преимущества заканчиваются. По тяговому усилию воздушный винт уступает колёсам и гусеницам, из-за чего АВП медленно разгоняется и с трудом преодолевает подъёмы. Движение по неровным поверхностям сопровождается повышенным расходом воздуха из-под подушки и сильным износом юбки. Плохая курсовая устойчивость и управляемость на высокой скорости, а также отсутствие тормозов делают невозможной безопасную эксплуатацию на дорогах общего пользования. К тому же, воздушная подушка поднимает много пыли, а вентиляторы сильно шумят, поэтому в населённой местности таким машинам тоже не будут рады [2].
Кончено, проблему недостатка тяги можно решить установкой более мощных двигателей и забираться хоть на вертикальные стены, однако из-за этого ещё сильнее врастет стоимость и просядет экономичность, которые и без того являются слабыми местами АВП.
3. СВП, аэролодка или... гибрид?
Сравнение СВП с традиционными видами транспорта наводит на мысль, что это весьма специфический, но вполне конкурентоспособный вид транспорта, который может пригодится там, куда другие просто не в состоянии добраться. Однако внимательные читатели моего канала должны помнить о впечатляющей проходимости аэролодок, которые могут передвигаться по воде, болотам, камням, снегу, льду и даже завалам из деревьев.
Как и СВП, аэролодки приводятся в движение воздушными винтами, поэтому сравнить их между собой особенно интересно. Разница между ними заключается в том, что аэролодки (российской школы) опираются не на воздушную подушку, а на надувные баллоны, покрытые прочной скользящей "чешуёй". Благодаря этому аэролодки обходятся без системы наддува, что делает их проще и дешевле. Однако вопрос экономичности остаётся спорным: с одной стороны, аэролодки не расходуют энергию на поддержание воздушной подушки, а с другой – вынуждены преодолевать силы трения о воду или твёрдую поверхность. Важно отметить, что в последнем случае "чешуя" будет изнашиваться интенсивнее, чем юбка воздушной подушки.
Таким образом, мы можем сказать, что СВП будет превосходить аэролодку на суше, однако всё-таки основная стихия судов – вода, поэтому аэролодка во многих случаях оказывается практичнее. Чтобы наглядно их сравнить, мы можем обратиться к сайту компании Север, которая производит как аэролодки, так и суда на воздушной подушке. Так, модель "СЕВЕР-5 СВП" на 5 человек и 400 кг груза стоит 9 млн. рублей (и продаётся только по предзаказу), а аэролодка "Охотник 650" с такой же пассажировместимостью, но грузоподъёмностью уже 1000 кг – всего 3,5 млн. рублей.
Более низкая цена позволяет аэролодкам доминировать в сегменте лёгких водных вездеходов, предназначенных для частного использования рыбаками, охотниками и туристами. Однако в сегменте более крупных судов преимущества воздушной подушки проявляются сильнее: во-первых, уменьшается удельная мощность на привод вентилятора, а во-вторых, более существенной становится экономия на отсутствии сопротивления трения. Так, одна из самых больших аэролодок – "Север Фантом-1000" – имеет грузоподъёмность на воде всего 4,5 тонны, в то время как крупнейшее судно на воздушной подушке – малый десантный корабль "Зубр" – может перевозить 150 тонн.
Впрочем, зачем выбирать между СВП и аэролодкой, если можно их объединить? Именно так рассудили в компании «Высокотехнологические разработки» (ВТР) и решили создать гибрид, то есть аэролодку, в которой под чешую подаётся воздух, уменьшающий трение и износ. Насколько успешным окажется такое решение, покажет время.
4. Современные АВП и их перспективы
Теперь давайте поговорим, какую место в современной транспортной системе занимают суда на воздушной подушке, и что их может ждать в будущем. Говорить мы будем именно о судах, так как другие виды транспорта на воздушной подушке (поезда, автомобили, трактора и т.п.) так и не получили широкого распространения. Исключение составляет разве что внутризаводской транспорт на воздушной плёнке, предназначенный для передвижения тяжёлого оборудования по гладким полам цехов, однако популярностью он не пользуется, поэтому давайте вернёмся к судам. Из всего вышеизложенного нетрудно сделать вывод, что СВП следует применять там, где требуется:
- высокая скорость
- проходимость на мелководьях
- возможность причаливать к необорудованному берегу
- всесезонность
- относительно крупные размеры
И я бы сказал, что главная проблема СВП заключается в том, что эти требования сегодня мало к чему предъявляются. Начнём с того, что высокая скорость совершенно не нужна грузовым судам, то есть большей части водного транспорта. В то же время пассажирское сообщение по воде сегодня практически прекратилось. Исключение составляют разве что перевозки между островами или берегами достаточно широких рек, озёр, проливов или заливов, где мост строить нецелесообразно из-за маленького пассажиропотока или слишком больших расстояний, которые в то же время недостаточно велики для эффективного использования авиации.
Если водная преграда достаточна глубока и при этом не замерзает, то отлично подойдут суда на подводных крыльях. Если на пути встречаются мелководья – лучше использовать суда на скеговой воздушной подушке. А если время от времени вода покрывается льдом, то это повод присмотреться к судам на сопловой воздушной подушке. Особенно полезными они будут в том случае, если перевозки необходимо организовать между небольшими населёнными пунктами, где нет оборудованных причалов. При этом, правда, пассажирам придётся терпеть повышенный шум и переплачивать за билет, но при отсутствии альтернатив с этим вполне можно мириться.
Суда на воздушной подушке могут использоваться как туристический транспорт для труднодоступных мест, а также служить для доставки к месту работы строителей, геологов и других специалистов. Кроме того, СВП могут быть пригодится армии, МЧС и другим спецслужбам. Как военным, так и спасателям важна способность максимально быстро добраться куда угодно, а вопросы экономики и комфорта не имеют для них решающего значения.
Теперь, когда мы обсудили сферы применения СВП, давайте посмотрим, какие суда производятся и эксплуатируются в России сегодня. Пишут, что производством СВП в России занимаются около двух десятков компаний, большая часть которых сосредоточена в Нижнем Новгороде (РосПромРесурс, Аэроход, Славир и другие). Правда, многие из них переживают тяжёлые времена. Например, не так давно обанкротилось ЦКБ "Нептун" – один из старейших производителей СВП в России из Петербурга. Правда, судя по всему, его дело продолжает Судоверфь ПАРМА из Подпорожья, которая в этом году построила 44-местное СВП "Василий Ильин" для Енисея.
Самыми же массовыми, похоже, являются "Хивусы" от нижегородского Аэрохода. Во всяком случае, на Байкале это слово стало нарицательным. Кстати, пожалуй, именно Байкал сегодня может похвастаться наиболее развитым "флотом" туристических судов на воздушной подушке. Правда, используются они, в основном зимой, а по воде ходят редко из-за ограничения по высоте волны.
Подводя итог, мы можем сказать что хоть суда на воздушной подушке и не стали массовым транспортом, они нашли нишу, в которой их уникальные достоинства перевешивают все недостатки. Если говорить об их перспективах, то мне кажется, что в сегменте малых катеров они не выдержат конкуренции с аэролодками, а вот формат водных автобусов может оказаться вполне жизнеспособным. Во всяком случае, мне бы хотелось надеяться, что СВП всё ещё могут стать своеобразными всесезонными мостами между городками и посёлками на берегах российских рек, которые помогут их жителям не чувствовать себя отрезанными от соседей и мира, а туристам – путешествовать быстро и интересно.
Ссылки
- Журнал "Техника – молодежи", 1964-10, статья «О судах на воздушной подушке»
- Журнал "Техника - молодежи", 1967-01, статья "Там, где кончается асфальт"