У техники есть старая мечта: научиться двигаться в воздухе и воде (а может и земле) так, будто этой среды нет вокруг. Без ревущих потоков воздуха вокруг самолёта и машины, без бешеного нагрева корпуса и гигантских потерь на сопротивление.
Как лететь в атмосфере, как в пустоте космоса и плыть под водой, словно летишь по небу?
Фантасты давно придумали для этого антигравитацию, варп‑поля и другие красивые слова. Инженерам приходится работать с тем, что есть: воздухом, водой, электричеством и законами аэро- и гидродинамики. И иногда их решения выглядят не менее безумно, чем фантастика.
Так-ли велико сопротивление среды?
На малых скоростях воздух ведёт себя относительно мирно. Сопротивление растёт примерно как квадрат скорости, и его можно терпимо уменьшить аэродинамической формой: обтекаемый нос, плавные формы — всем знакомо по велосипедным шлемам и гоночным болидам.
Но по мере разгона ситуация становится другой.
- На околозвуковых скоростях (порядка 1200 км/ч) мы пересекаем звуковой барьер: появляется ударная воздушная волна и сопротивление начинает кратко возрастать.
- Далее сопротивление продолжает возрастать в квадрате, а нагрев, рассекающих воздух, деталей становится запредельным.
В воде всё ещё суровее: плотность и вязкость намного выше, поэтому сопротивление на тех же скоростях огромно. Не случайно подводные лодки и торпеды движутся в разы медленнее самолётов.
Если очень упростить, задача выглядит так: мы хотим двигаться быстро, но не хотим платить ценой адского сопротивления и нагрева. Решений тут два:
- Сделаться невидимым для среды (идея «лететь в пузыре»).
- Научиться управлять самой средой — менять воздух или воду вокруг себя.
Посмотрим, как далеко мы продвинулись в обоих направлениях.
Летающая тарелка на «воздушном гвозде»
В 1960–70‑е годы в западной прессе то и дело всплывала странная идея американского инженера Лейка Мирабо. Он предлагал летающий аппарат, похожий на классическую «тарелку», который должен был разгоняться до космических скоростей прямо в атмосфере. Секрет — в том, чтобы… превращать воздух в плазму и двигать его магнитом. Да, да, все просто...
По замыслу Мирабо:
- Аппарат посылает вперед направленный луч;
- Луч разогревает воздух до многих тысяч градусов;
- Воздух переходит в плазму, а плазма проводит электричество;
- Если проводит электричество, значит можно сместить это магнитным полем с корабля;
- Воздух огибает корабль.
- Вуа-ля, воздуха перед нами нет - лети без сопротивления!
- А где взять столько энергии, спросите Вы?
- Все тоже ОЧЕНЬ просто, мы с земли в корабль бьём микроволновым лучом и корабль преобразует его в энергию. (пожалуй примем как должное...)
Ах да, Мирабо еще хотел внутрь тарелки закачать гелий для аэростатических полетов в нижних слоях атмосферы.
Картинка потрясающая: гиперзвуковая тарелка на микроволновом «поводке», летящая в собственном тоннеле благодаря "расплавленному воздуху".
Проблем тоже хватает:
- нужно непрерывно передавать на борт чудовищную мощность по узконаправленному лучу;
- плазменный факел впереди аппарата сам создаёт нестабильные потоки;
- любые сбои в подаче энергии означают мгновенный «удар лбом в атмосферу» — со всеми вытекающими.
Проект так и остался в виде эскизов и споров. Но его логика — лететь в разреженной области, которую ты сам создаёшь — оказалась удивительно живучей.
По некоторым данным новосибирский физик П. Третьяков доказал возможность работы "воздушного гвоздя", но оборудование оказалось слишком громоздким для использования на самолетах.
А может будем постоянно взрывать среду перед собой?
А ведь логично - чтобы убрать (или сдвинуть) среду, можно её ПРОСТО ВЗОРВАТЬ и вытеснить враждебную для движения среду на пути движения!
Такие идеи тоже были, но наиболее близкой и контролируемой стала - кавитация.
Идём под воду!
Если в воздухе «пузырь без сопротивления» остаётся мечтой, то в воде его создали вполне реально. И, как это часто бывает, помогла война.
После Второй мировой войны корабли становились всё быстрее и манёвреннее, и обычные торпеды с их десятками узлов уже не гарантировали попадания. В СССР стали искать способ разогнать подводный снаряд хотя бы до 150 км/ч, а лучше — намного выше.
Выход нашли в явлении кавитации. Если сильно снизить давление в жидкости около движущегося тела, там образуются пузырьки пара и газа. При определённых условиях это не отдельные пузырьки, а единая газовая каверна вокруг всего носа объекта. Если удаётся держать такую каверну устойчивой, снаряд фактически движется не в воде, а в газе — его обтекает гораздо менее плотная среда.
Инженер Георгий Логвинович в 1940–50‑е предложил использовать сверхкавитацию для подводного оружия. Вместе с группой коллег (Уваров, Алфёров, Либинштейн и др.) он разработал схему подводной скоростной ракеты: острый диск‑нос, за ним — корпус с топливом, в хвосте — стабилизаторы и сопло. Нос и специальный газогенератор создают вокруг аппарата гигантскую каверну. Ракета буквально летит внутри пузыря и почти не чувствует сопротивление воды!
Испытания шли почти два десятилетия, с провалами и перерывами. Требовалось научиться:
- удерживать каверну на нужной глубине;
- избежать «выскальзывания» ракеты и каверны;
- согласовать работу разгонного и маршевого двигателей, чтобы каверна не срывалась.
К концу 1960‑х вариант М‑4‑1‑М наконец выдержал программу испытаний. В 1977 году на вооружение ВМФ СССР принята подводная ракета ВА‑111 «Шквал». По открытым данным, она разгоняется под водой до ~100 м/с (около 360 км/ч, или ~194 узла) — на порядки быстрее обычных торпед.
Вакуумные поезда Илона Маска Hyperloop
Hyperloop: когда проще выкачать воздух, чем обмануть его
Логика всех экзотических проектов полёта без сопротивления сводится к одному: сделать среду вокруг аппарата менее плотной. Можно пытаться ионизировать воздух, раздвигать его взрывом или плазмой, а можно пойти по‑простому — взять трубу и этот воздух оттуда… выкачать.
Так устроена идея Hyperloop, популяризированная Илоном Маском. Капсула движется внутри длинного тоннеля с пониженным давлением.
- Давление в трубе планируется на порядки ниже атмосферного;
- Плотность воздуха и сопротивление в разы меньше;
- Разгон до 800–1000 км/ч становится делом мощности двигателя, а не борьбы с чудовищным лобовым сопротивлением.
По сути Hyperloop — это честное признание: обмануть воздух вокруг обычного поезда очень трудно, проще построить ему «личный космос» в виде частичного вакуума.
А под землей сможем?
- Чтобы быстрее двигаться в воздухе, мы создаём вакуум вокруг аппарата;
- Чтобы быстрее двигаться в воде, мы создаём воздух вокруг аппарата;
- Получается, чтобы двигаться быстрее под землёй, необходимо создать воду или воздух вокруг аппарата?
Звучит логично, но на практике такого пока встречал. Но ведь делают гидроразрыв пласта в нефтедобычи - чем не магистраль для подземного аппарата? Это конечно пока фантазии по понятным причинам.
Сопротивление как строгий учитель и ограничитель человечества.
Подводная ракета «Шквал», летающая тарелка на «воздушном гвозде», плазменные обтекатели — все эти проекты в чём‑то безумны, а в чём‑то удивительно честны. Они не притворяются, что отменили законы физики. Они всего лишь пытаются сыграть на пределе возможного: заставить воздух и воду вести себя немного менее враждебно.
Да, до «полёта без сопротивления» нам, скорее всего, не добраться. Но по дороге к этой недостижимой цели появляются очень реальные вещи — сверхкавитационные торпеды, более экономичные самолёты, сверхматериалы. Здесь важна не столько недостижимая мечта, сколько набор хитростей, которые мы придумываем, пытаясь её обмануть.
В конце концов, прогресс — это не отмена сопротивления, а умение использовать его себе на пользу. Мир не станет для нас пустотой, но мы можем научиться двигаться в нём так, будто он сопротивляется чуть-чуть меньше. А дальше всё упирается не в фантастику, а в терпение инженеров и научную удачу.