Волновое сопротивление. Погоня за скоростью на море

Основной качественный скачок произошёл ещё в ХIХ веке, когда вместо парусных судов появились паровые. Но очень скоро выяснилось, что основным ограничителем скорости для морских судов является не слабость энергетической установки, а сопротивление воды. В итоге рекорд скорости, установленный русским эсминцем "Новик" 21 августа 1913 года (37,3 узла), стал фактически пределом мечтаний для крупных водоизмещающих кораблей (напомним, что узел — это одна морская миля, то есть 1852 м/ч).

Этот рекорд побили, конечно. Перед Второй мировой очень быстро носились по Средиземному морю итальянские и французские лидеры и эсминцы, добираясь иногда аж до 45 узлов. Непонятно, впрочем, зачем им была нужна эта скорость, поскольку именно итальянский и французский флоты во Второй мировой воевали хуже всех. Побил рекорд "Новика", завоевав в начале 1950-х "Голубую ленту Атлантики", американский лайнер "Юнайтед Стейтс" (38,5 узла). Но даже эти скорости достигались считанным количеством кораблей и на очень коротких дистанциях. В целом же для боевых кораблей максимальная скорость и сегодня редко превышает 32 узла, а крейсерская скорость (на которой достигается максимальная дальность плавания) всегда была ниже 30 узлов. Для транспортных судов и 25 узлов было уникальным достижением, большинство из них до сих пор таскаются по морям со скоростями, не превышающими 20 узлов, то есть менее 40 км/ч.

Появление дизельных, газотурбинных, даже ядерных двигателей в лучшем случае давало прибавку в скорости на несколько узлов (другое дело, что дизели и ядерные энергетические установки позволили резко повысить дальность плавания). Волновое сопротивление вставало стеной. Важнейшим средством борьбы с ним стало увеличение отношения длины корпуса корабля к его ширине. Слишком узкий корабль, однако, обладал плохой остойчивостью, в шторм он мог легко перевернуться. Кроме того, в узкий корпус трудно было запихнуть разнообразные системы и механизмы. Поэтому только некоторые эсминцы за счёт узости корпусов установили свои рекорды скорости, тенденцией это не стало даже для боевых кораблей, а для грузовых судов сужение корпусов было неприемлемо в принципе.

Авиация практически полностью заменила морские суда в плане пассажирского сообщения, но вот что касается грузовых перевозок, то почти все они до сих пор приходятся на водный и железнодорожный транспорт. Грузоподъёмность для самолётов остаётся почти таким же критическим вопросом, как скорость для судов. Поэтому инженеры продолжают биться над решением обеих проблем.

Для коммерческого судоходства проблема низких скоростей в значительной степени нивелируется большим количеством судов на линиях. Если танкеры (контейнеровозы, банановозы, лесовозы и т. д.) выходят из пункта А ежедневно, то и приходить в пункт Б они будут ежедневно независимо от скорости каждого отдельного судна. Главное, чтобы хватало судов для поддержания такого графика.

Для ВМС скорость, разумеется, гораздо важнее. И для боевых кораблей (тут объяснения, пожалуй, излишни), и для транспортных и десантных судов, перевозящих войска. Причём последнее сейчас, когда войны приобрели глобальный размах, стало важнее первого (тем более что для боевых кораблей некоторой компенсацией собственной низкой скорости стало наличие ракетного оружия: ракета догонит кого угодно).

Поскольку нерешаемость проблемы волнового сопротивления стала понятна давно, то, наряду с погоней за единицами узлов за счёт улучшения обводов корпуса и формы винтов, усиления энергетических установок на обычных кораблях, начался поиск чего-нибудь необычного.

Ещё в конце XIX века был открыт эффект действия подъёмной силы на пластину, буксируемую под водой под небольшим углом наклона к горизонту. Этот эффект аналогичен аэродинамическому, действующему на крыло самолёта и позволяющему ему летать. Поскольку вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, площадь подводного крыла могла быть во столько же раз меньше площади крыла самолёта. Если поставить на крылья судно, то при достаточно большой скорости подъёмная сила поднимет его над водой, под ней останутся только крылья. Это позволит в разы снизить сопротивление воды и, соответственно, повысить скорость движения.

Первые опыты с судами на подводных крыльях проводились во Франции и Италии, но наибольшего развития они достигли в СССР. Главным конструктором таких судов стал Ростислав Алексеев, который возглавил соответствующее ЦКБ (оно находилось в Горьком). Был создан целый ряд пассажирских судов и боевых катеров на подводных крыльях. Однако быстро выяснилось, что водоизмещение судов на подводных крыльях очень ограниченно. Чем оно выше, тем больших размеров и массы должно достигать подводное крыло и тем мощнее должна быть энергоустановка. Из-за чего даже фрегат на подводных крыльях создать практически невозможно.

В итоге дело не пошло дальше "пригородного транспорта" — "Ракет", "Комет" и "Метеоров" — и некоторого количества боевых катеров на подводных крыльях. Для ВМФ СССР и погранвойск было построено 2 противолодочных корабля на подводных крыльях пр. 1145 и 1 пр. 1141, 1 малый ракетный корабль (МРК) пр. 1240, 16 сторожевых катеров пр. 133, 18 ракетных катеров пр. 206МР. Большинство из них сейчас уже списано. Один ракетный корабль на подводных крыльях пр. 206МР оказался тем самым грузинским катером "Тбилиси", который в августе 2008 года, в соответствии с легендами и мифами агитпропа, был потоплен российским МРК "Мираж" в морском бою, а на самом деле брошен своим экипажем в Поти и взорван нашими десантниками.

За рубежом катера на подводных крыльях также развития практически не получили. В США было построено 6 ракетных кораблей на подводных крыльях типа "Пегас", в Италии — 7 РК типа "Спарвьеро", в Израиле — 3 РК типа М161, в Японии — 3 РК типа PG01. Сейчас все они, кроме японских, списаны. Китай наштамповал более 200 торпедных катеров на подводных крыльях типа "Хучуань", они экспортировались также в Румынию, Албанию, Танзанию, Пакистан, который затем передал их в Бангладеш. Сейчас в строю осталось лишь 4 бангладешских и 2 танзанийских "Хучуаня". В целом для ВМС всего мира КПК оказались тупиковой ветвью развития.

Несколько более перспективными стали корабли на воздушной подушке (КВП). Эта самая подушка создаётся путём нагнетания вентиляторами сжатого воздуха под днище корабля, благодаря чему корабль поднимается над водой и волновое сопротивление исчезает полностью. Что позволяет не только развивать огромную скорость (50—60 узлов), но и выходить на сушу.

Наибольшее развитие корабли на воздушной подушке получили опять же в СССР (начиная с 1920-х годов). Запад начал развивать это направление лишь в конце 1950-х. Вскоре выяснилось, что для таких кораблей существует почти та же коренная проблема, что и для кораблей на подводных крыльях, — их полезная масса не может быть большой. Для поддержания на весу тяжёлого корабля нужно ставить очень мощные вентиляторы. А для движения корабля нужны огромные и мощные воздушные винты, занимающие очень много места и чрезвычайно уязвимые в бою.

В итоге область применения таких кораблей оказалась весьма ограниченной. В СССР построили довольно много десантных кораблей на воздушной подушке (ДКВП) различных типов. Очень уж привлекательной казалась возможность (благодаря способности таких судов выходить на берег) высаживать десант "не замочив ног". Правда, их десантовместимость была довольно ограниченной, а уязвимость от огня даже стрелкового оружия — чрезвычайно высокой (особенно уязвимыми были именно воздушные винты). Самыми крупными стали ДКВП пр. 12322 "Зубр" (водоизмещение более 500 т, длина 56 м, скорость до 60 узлов, способны брать на борт 3 танка или 140 морпехов). У России сейчас осталось всего 2 таких корабля, зато 3 мы продали в Грецию. Есть у нас сейчас около 10 старых ДКВП пр. 12321, 1206 и 1205 меньшего размера.

Кроме России, десантный катер на воздушной подушке LCAC (150 т, 50 узлов, несёт 1 танк) создали в США. Таких катеров построено около ста, они базируются на американских универсальных десантных кораблях и десантных кораблях-доках. Десантные катера пр. 724 в количестве примерно 30 штук строились в КНР. Это, наверное, самые маленькие корабли на воздушной подушке в мире: 6,5 т, длина 12 м, берут на борт 10 десантников.

Маленькие (от 15 до 100 т) сторожевые катера на воздушной подушке в 1970-е годы строили англичане, в том числе для продажи в Иран (ещё при шахе) и Саудовскую Аравию. Один иранский КВП британской постройки типа ВН.7 погиб во время войны с Ираком.

В конце концов как отечественные, так и зарубежные конструкторы пришли к мысли заменить резиновую "юбку", поддерживающую воздушную подушку, на жёсткие пластины, называемые скегами. Они значительно лучше "юбки" удерживают воздух внутри подушки, что позволяет увеличить массу корабля. Кроме того, поскольку скеги входят в воду, на них можно устанавливать гребные винты или водомёты, убрав с палубы корабля громоздкие и уязвимые воздушные винты. При этом сопротивление скегов, конечно, больше, чем у "юбки", но гораздо ниже, чем у подводных крыльев. Единственный их недостаток — корабль лишается возможности выйти на сушу. Поэтому скеговые КВП целесообразно строить в варианте ударных кораблей или тральщиков. В последнем случае выгода в том, что чем меньшая часть корабля находится в воде и чем выше его скорость, тем меньше шанс подорваться на мине.

Пока монополия на такие корабли у России и Норвегии. У нас на Черноморском флоте имеется 2 скеговых МРК пр. 1239 ("Бора" и "Самум"), крупнейшие корабли на воздушной подушке в мире (водоизмещение более 1 тыс. т). Они обладают огромной ударной мощью (8 сверхзвуковых ПКР "Москит") и скоростью 53 узла. Недостаток этих кораблей — слабая ПВО и, главное, крайняя сложность в эксплуатации.

В состав ВМС Норвегии входит по 6 скеговых ракетных катеров типа "Скъёльд" и тральщиков типа "Оксёй". Они значительно меньше наших МРК (250—400 т). При этом ракетные катера несут 8 сверхзвуковых ПКР NSM. Можно отметить, что (кроме России и Норвегии) сверхзвуковые ПКР есть ещё только у Китая.

Хотя корабли на воздушной подушке и перспективнее кораблей на подводных крыльях, но и они никоим образом проблему скорости не решают из-за множества описанных выше ограничений, а также дороговизны и сложности в эксплуатации.

Рецензия Виктора Дубровского, доктора технических наук

В статье "Волновое сопротивление. Погоня за скоростью в море" автор затронул две интересные проблемы развития морской техники. Именно две, потому что снижение волнового сопротивления - только часть более обширной проблемы повышения максимальных скоростей, причем с развитием техники значение этой части относительно уменьшается. Однако обе эти проблемы значительно более "объемны", чем представляется автору.

Сперва - немного о физических основах, без всякой математики.

К сожалению, как и многие малоосведомленные в гидромеханике люди, автор рассматривает только абсолютные скорости кораблей и катеров. Конечно, в тактическом отношении, скажем, при боестолкновении корабля и катера, только абсолютные их скорости и имеют значение. Однако для сравнительного анализа и выявления тенденций развития этого совершенно недостаточно.

Дело в том, что удельное (скажем, на тонну водоизмещения) сопротивление воды, кроме вязкостного, зависит не от абсолютной, а от относительной скорости, так называемого "числа Фруда". В качестве такой характеристики применяется либо соотношение скорости и длины, "число Фруда по длине", либо соотношение скорости и кубического корня из водоизмещения (одного) корпуса, "число Фруда по водоизмещению". И рассмотрение всего мыслимого диапазона относительных скоростей движения по поверхности воды показывает, что существуют, как минимум, три скоростных режима, в частности, отличающихся ролью волнового сопротивления. При числах Фруда по водоизмещению примерно до 1, "режим плавания" или "водоизмещающий", волновое сопротивление играет существенную роль, особенно оно велико при числах Фруда по длине около 0.5, а также на локальных "горбах" сопротивления при меньших относительных скоростях; числа Фруда по водоизмещению от 1 до 3 соответствуют "переходному режиму", где доля волнового сопротивления снижается, постепенно развивается значительная вертикальная сила, и за счет этой силы корпус выходит из воды с ростом скорости. При еще больших относительных скоростях в "режиме глиссирования" вертикальная гидродинамическая сила становится сравнимой с весовым водоизмещением, т.е. "выталкивает" корпус из воды, при этом волновое сопротивление исчезающе мало.

Поэтому очевидно, что для достаточно большого корабля, обычно движущегося в режиме плавания или переходном, имеется проблема снижения волнового сопротивления, а для малотоннажного катера, при той же абсолютной скорости движущегося в режиме глиссирования, этой проблемы вообще нет.

Надо отметить, что методы прогнозирования и снижения волнового сопротивления - целая отрасль гидродинамики, популярное изложение которой может быть темой отдельной статьи. Кроме того, в ретроспективе автора совершенно отсутствуют глиссирующие катера, которые задолго до появления крыльев и воздушной подушки развивали скорости 50 узлов и более.

Правда, именно на примере глиссеров особенно очевидна другая сторона проблемы обеспечения высоких скоростей на море: морское волнение сильно уменьшает достижимые скорости. И чем больше скорость и меньше водоизмещение корабля или катера, тем сильнее его скорость ограничена воздействием волн. Причем снижение скорости определяется дополнительным сопротивлением от волн только на небольшом волнении, а при более интенсивном приходится намеренно снижать скорость, чтобы обеспечить заданные уровни мореходных качеств и прочности. Очевидно, что действительно быстроходным кораблем является не тот, который в самых благоприятных условиях развивает наибольшую скорость, а тот, который может поддерживать достаточно высокую скорость на волнении в заданной акватории. Потому проблема повышения скоростей на море неразрывно связана с обеспечением соответствующей мореходности.

Также нужно отметить, что представление автора о том, что стимулом для роста скоростей являются интересы ВМФ, значительно устарело. В поледние десятилетия в мире на коротких линиях интенсивно применяются скоростные пассажирские и автомобильно-пассажирские паромы. Здесь коммерческая конкуренция привела к появлению десятков, если не сотен судов со скоростями 40 узлов и более. Причем надо отметить, что, если для боевых кораблей и катеров режимы полного хода составляют не более 5% времени плавания, то для скоростных паромов полный ход - это постоянный и повседневный режим. Естественно, это подразумевает другой уровень требований и к совершенству обводов, и к главным двигателям и движителям, и к мореходности и умерению качки.

Очень долго бытовало представление, что "от ракеты не уйдешь, а потому высокая скорость кораблям и не нужна" - как выясняется теперь, неправильное. У любой ракеты есть определенный радиус действия, и высокая скорость помогает как нанесению поражающего удара, так и уходу из-под удара противника. Кроме того, оказалось, что при высокой скорости корабля многие неконтактные мины не успевают его поразить. Так что интерес к скоростным кораблям в ВМФ возрождается. И примечательно то, что первые скоростные корабли нового поколения в значительной мере являются реализацией научных, экспериментальных, и практических достижений коммерческого судостроения.

Также вне внимания автора в статье оказались такие сверхскоростные корабли, как экранопланы. Конечно, они не были приняты в состав флота, но их существование, достоинства и недостатки заслуживают упоминания и обсуждения при рассмотрении проблемы повышения скорости на воде.

Хочу особо отметить, что основные проблемы повышения скорости на море решаются применением многокорпусных судов, кораблей и катеров - при одновременном повышении безопасности и живучести. С кратким обзором этих возможностей можно ознакомиться на том же сайте, гда помещена статья автора.