С неба - под воду

С НЕБА — ПОД ВОДУ

Ныряющие летательные аппараты

Анатолий Ефимович Тарас

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уже давно — с 1885 года — в научно-фантастической литературе фигурируют летательные аппараты, совмещающие в себе способность гидросамолета - совершать посадку на воду и взлетать с неё со способностью подводной лодки - плавать на опреде ленной глубине. Такие аппараты называют ныряющими гидросамолетами (diving seaplane) или летающими подводными лодками (flying submarine). Надо признать, что определение «ныряющий гидросамолет» является более точным, так как почти все конструкторы брали за основу именно самолет, а не подводную лодку. В ХХ веке некоторые инженеры-профессионалы, а также изобретатели-самоучки пытались объединить преимущества самолета и подводной лодки в одном техническом устройстве. Но оказалось, что из-за большой разницы между воздушной и водной средой это очень непростая задача. Поэтому не удивительно, что аэросубмарины чаще появлялись на страницах книг, чем в чертежах. Завершенных проектов известно немного, все они рассмотрены в предлагаемом исследовании. И все же проектирование такого аппарата является очень интересной инженернотехнической задачей. Поэтому время от времени к её решению обращаются все новые и новые специалисты. Однако в последние 20–25 лет произошла существенная трансформация первоначальной идеи ныряющего гидросамолета. Её суть — в переходе от аппаратов, управляемых экипажами, к беспилотникам с дистанционным либо автоматическим управлением. Изменился также способ старта. Беспилотные двухсредовые аппараты в основном предназначены для запуска с подводных лодок, находящихся в погруженном положении, с последующим возвращением этих аппаратов на борт носителя.

АББРЕВИАТУРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КНИГЕ
АПЛ— атомная подводная лодка
БЛА, БпЛА— беспилотный летательный аппарат
ВВП — аппарат вертикального взлета и посадки
ВМВ— Вторая мировая война
ВМС, ВМФ— военно-морские силы (флот)
ДВС— двигатель внутреннего сгорания
КБ— конструкторское бюро
ЛПЛ— летающая подводная лодка
НЛА— ныряющий летательный аппарат
ПЛ— подводная лодка
ПЛО— противолодочная оборона
ПМВ— Первая мировая война
РДП— (устройство для) работы двигателя под водой (нем. «schnorkel»)
РЛС— радиолокационная станция (радар)
СмПЛ— сверхмалая подводная лодка
ТТХ— тактико-технические характеристики
ЭУ— энергетическая установка
DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) — Агентство перспективных исследовательских проектов (в структуре Министерства обороны США)

 

Глава 1

БИОНИКА: МЕЖДУ НЕБОМ И ВОДОЙ

Бионика (от греческого слова «бион» — элемент биологической системы) — одно из направлений в науке. Бионика исследует особенности строения и жизнедеятельности различных организмов с целью получения новых возможностей для решения инженерно-технических задач. Отсюда вопрос: существуют ли в природе такие живые существа, которые способны не только летать в воздухе, но и плавать под водой? Да, существуют. Это ныряющие птицы и летучие рыбы.

НЕСКОЛЬКО НЫРЯЮЩИХ ПТИЦ

Зимородок (Kingfisher)

Эта маленькая птица погружается в воду на скорости до 40 км/час для ловли мелкой рыбы, креветок и даже головастиков. Правда, она ныряет всего лишь на 25–30 см. Известно более 100 различных видов зимородков, большинство которых обитают вблизи озер и рек.

Ныряющий зимородок рек

Скопа (Osprey)

Скопы питаются только рыбой, поэтому им нужны отличные навыки ныряния. Они живут по всему миру в устьях рек и на больших озерах.
Средний размах крыльев скопы 1,5 м. Ныряя с высоты не более 40 м, скопы ловят рыбу на глубине до 1 метра.

Олуша (Gannet)

Крупная морская птица, обитающая в Атлантическом и Тихом океанах. Она ловит рыбу, ныряя в воду с высоты около 30 метров и преследуя свою жертву под водой. Олуша развивает скорость до 100 км/ч к моменту вхождения в воду.

Олуша в момент ныряния

Это позволяет ей использовать кинетическую энергию, набранную во время пикирования, чтобы преодолевать природную плавучесть, обусловленную скоплением воздуха в оперении. А под кожей головы и груди имеются воздушные мешки, смягчающие удар о воду. Глаза олуши расположены спереди рядом с клювом, обеспечивая ей бинокулярное зрение, позволяющее точно оценивать расстояние в воздухе и в воде.

Олуша под водой

Морская утка (Sea Duck)

Длиннохвостую морскую утку летом можно встретить на побережьях в Арктике, зимой она гнездится южнее. Длина до 60 см, причем 20 % длины приходится на хвост.

Питается моллюсками (мидиями, креветками, крабами). Ныряет на глубину до 60 м. Использует крылья для передвижения под водой.

Баклан (Cormorant)

Для плавания на поверхности воды и в глубине, он использует большие перепончатые ноги и крылья, а длинной шеей проникает между камнями и расщелинами, где находит ракообразных, беспозвоночных и рыб. Бакланы задерживают дыхание на 2 минуты, что позволяет им нырять на глубину до 70 м.

Баклан погружается в воду

Пеликан (Pelican)

Обитает в Северной и Центральной Америке возле лагун и побережий. Эта птица ныряет в воду со скоростью до 64 км/ч. Чтобы избежать травм во время ныряния, пеликаны наклоняют голову и поворачивают тело. У них также есть воздушные мешки на груди, действующие как подушки при входе в воду. Они замечают добычу сверху и ныряют на огромной скорости, чтобы оглушить рыбу, а затем большим клювом подхватывают её.

Кайра (Guillemot, Murres)

Кайры живут в Арктике, на отвесных скалах. В период гнездования их колонии достигают нескольких десятков тысяч особей. У них небольшой размер (37–48 см) и вес (1–1,5 кг). Маленькие крылья не позволяют им взлетать с места, поэтому они прыгают с утеса или разгоняются по водной поверхности. Но, оказавшись в воздухе, развивают скорость до 120 км/ч (!) Нырнув, кайры пользуются крыльями как ластами, быстро и ловко преследуя рыбу. Они способны погружаться на глубину более 100 м.

Кайра под водой

Императорский пингвин (Penguin)

Императорские пингвины живут в Антарктиде тысячными колониями. Толстая шерсть служит им прекрасной изоляцией при нырянии. Эти пингвины не только самые крупные ныряющие птицы (вес до 45 кг), но и самые глубоководные: они ныряют на глубину до 550–560 м! Их тела благодаря толстым твердым костям выдерживают высокое давление воды. Пингвины проводят под водой в среднем 20 минут (!) в поисках криля, рыбы и кальмаров. Рекорд — 28 минут.

• • •

Этих восьми птиц вполне достаточно для того, чтобы понять: в мире природы птицы-ныряльщики не редкость. На самом деле их много. Они показывают людям, что идея летательного аппарата, способного нырнуть в воду на определенную глубину, выполнить там какое-то действие, потом всплыть, взлететь и вернуться в гнездо — вовсе не фантастика!

Летучие рыбы

Так называют семейство морских рыб «Exocoetidae», в котором 69 видов, сгруппированных в 7 родов: длиннокрылы, короткокрылы, двукрылы, ласточкокрылы, стрижехвосты, фодиаторы, прогнихты. Они живут в тропиках и субтропиках, где вода теплая. Длина тела от 15 до 40–50 см. Особенностью таких рыб являются необычно большие грудные плавники, позволяющие им осуществлять непродолжительный планирующий полет. В случае опасности они при помощи сильных ударов хвостом быстро выскакивают из воды и парят в воздухе.

Степень способности к полёту зависит от размера рыбы и количества плавников для полёта. Дальность полёта у видов с короткими грудными плавниками меньше, чем у видов с длинными плавниками. Виды, использующие для парения только грудные плавники, летают хуже видов, использующих для полёта ещё и брюшные плавники.

Взлет летучей рыбы

Рыбы могут изменять угол наклона плавников, влияя на направление полёта. Взлетев под углом 30–45 градусов к поверхности воды, с начальной скоростью, увеличивающейся от 30–35 до 80 км/ч, рыбы планируют по воздуху, постепенно снижаясь обратно к воде. Высота полёта достигает 5 м, дальность у мелких особей — до 50 м. Набирая скорость, рыба прижимает плавники-крылья к телу. Они раскрываются ещё до того, как хвост оторвется от воды — это способствует дополнительному толчку. Рыба начинает планировать на скорости до 265 метров в минуту. Летучие рыбы могут совершать серийные «перелеты». Во время каждого такого прыжка хвост уходит в воду. Если особь сильная и крупная, она может пролететь 100–180 м, а при серии прыжков общей длительностью 40 секунд — до 400 м!

• • •

В воздухе летучие рыбы не могут состязаться с птицами. Но своими длинными прыжками-полётами над водой они показывают пример того, как можно избежать нападения хищника в подводном плавании. «Двигателем» у этих рыб является гибкий хвост. Совсем недавно, в конце 2023 г., группа молодых британских ученых и инженеров под названием «Future Nest», представила разработанный ею подводный дрон, способный — подобно летучей рыбе — выпрыгивать из воды и пролетать определенное расстояние для того, чтобы догнать ускользающую цель либо самому уклониться от вражеской атаки.

Подводно-воздушный дрон, созданный по принципу летучей рыбы

Такой дрон оснащен крыльями, раскрываемыми для полёта над водой, и реактивным двигателем с соплом в хвостовой части корпуса. Идею этого дрона выдвинула Али Рой (Ali Roy), системный инженер из компании «SAAB Sea Eye», являющейся «дочкой» шведского концерна SAAB. Именно она возглавила группу талантливой молодежи, разработавшей проект. Связь с бионикой в данном случае очевидна.

Дрон типа летучей рыбы с плавниками в передней части

Есть и другой вариант подражания природе. Рыбы семейства скатов, например манты и морские коты (хвостоколы), плавают, взмахивая внешними краями плавников. Виктор Крылов из британского университета в Лафборо (Loughborough University) считает, что ныряющие самолеты могут делать то же самое. Он предложил использовать электродвигатели и материалы с памятью формы, чтобы многократно взмахивать концами гибкого клиновидного крыла (либо хвостом), создавая волну, которая колеблется назад, создавая тягу вперед. Испытания моделей НЛА с волнообразными резиновыми крыльями (или хвостами), показали, что они надежно обеспечивают движение, хотя менее эффективно, чем обычный гребной винт. Зато такой «привод» намного тише гребного винта, а это затрудняет или делает невозможным обнаружение НЛА гидроакустическими приборами.

Подводный дрон, подобный дельфину

1) сервопривод шеи; 2) выключатель); 3) модуль; 4) панель управления; 5) платы сервоприводов; 6) двигатель постоянного тока; 7) сервопривод

спинного плавника; 8) спинной плавник; 9) двигатель постоянного тока; 10) хвостовой плавник; 11) хвостовое сочленение; 12) поясничное сочленение; 13) оболочка; 14) аккумулятор; 15) уравновешивающий груз; 16) плавник; 17) сервопривод плавника; 18) гироскоп

• Назад
• Вперед