Глава VII. Паря над водой и сушей

Что такое воздушная подушка?

В 60-80-е годы нашего столетия быстро развивается новый вид транспорта - аппараты на воздушной подушке, что объяснимо их простой конструкцией, способностью работать на воде, снегу, болоте и при полном бездорожье.

Аппаратом на воздушной подушке (ВП) называют машину, передвигающуюся над опорной поверхностью благодаря наличию воздушной подушки под ее днищем. В английской технической литературе принято называть эти аппараты "кушнкрафт", что переводится как "судно на подушке" или "ховеркрафт" - "скользящее судно". Американцы дали им название Ground Effect Machine - "аппарат, способный парить над землей".

Что же такое воздушная подушка? Это область повышенного давления воздуха между основанием - днищем аппарата и опорной поверхностью (сушей, водой). Это хотя и невидимая, но вполне реальная упругая воздушная подушка, на которую опирается машина. В этом случае транспортное средство может двигаться с большой скоростью, так как оно летит в воздухе, не касаясь опорной поверхности. По принципу образования различают динамическую и статическую ВП.

Динамическая воздушная подушка возникает только при движении аппарата с большой скоростью. Подушку создает встречный поток воздуха 1 (рис. 13, а), который тормозится и сжимается в пространстве между особым образом профилированным днищем 2 машины (крылом) и экраном 3 (водной или земной поверхностью). Можно создать и такие аппараты, в которых будут использованы оба типа подушки: статическая ВП - в начале и в конце движения и динамическая ВП - при больших скоростях. Предложен ряд проектов и построено несколько экспериментальных транспортных машин с использованием принципа динамической ВП. Их обычно называют - экранопланами (рис. 13,б).

Но все-таки основной тип ВП - статическая подушка. Этот тип подушки можно создать и на неподвижном транспортном средстве. Для ее образования на его борту предусматривают специальный нагнетатель воздуха 4 (вентилятор), который подает воздух повышенного давления под днище машины. Этот воздух и создает поддерживающие аппарат силы. Так как воздух из-под машины вытекает непрерывно, то нагнетатель должен работать постоянно. Возможны следующие схемы статической ВП:

в результате взаимодействия воздушного винта, изолированного (рис. 13,в) или в кольце 5 (рис. 13,г), с опорной поверхностью;

камерная схема с разновидностями: жесткими стенками 6 и полным отрывом от опорной поверхности (рис. 13,д); с гибким ограждением 7 ВП (рис. 13,в), с жесткими, частично погруженными в воду бортовыми стенами 8 (рис. 13,ж);

сопловая схема с периферийно жесткими 9 (рис. 13,з) и гибкими соплами 11 (рис. 13,и);

воздушная пленка или смазка (рис. 13,и).

Рис. 13. Принципиальные схемы образования воздушной подушки

В наиболее простой схеме статической ВП - камерной - нагнетатель подает воздух в камеру под аппаратом, создавая в ней область повышенного давления. В этом случае с увеличением зазора между днищем машины и опорной поверхностью растет чрезвычайно быстро расход воздуха. Поэтому такая схема мало пригодна для транспортных аппаратов, которым необходимо преодолевать даже небольшие препятствия.

В сопловой схеме на уровне нижней кромки нагнетательной камеры расположена круговая перегородка 10 (см. рис. 13, з, и). Воздух, подаваемый вентилятором, заполняет пространство между перегородкой и стенками камеры. Перед выходом наружу он проходит через сопло 9 к периферии: образуется кольцевая струя воздуха. Струи воздуха, вытекающие из сопла вниз и направленные под некоторым углом к опорной поверхности, образуют под днищем машины повышенное давление, в результате чего вместе с силами реакции струй создается подъемная сила, удерживающая на должной высоте транспортное средство. При этом из воздушных струй создается своеобразная воздушная завеса, препятствующая утечке воздуха из камеры, поэтому значительно уменьшается мощность нагнетательной установки. Для большей эффективности в камерных и сопловых схемах предусматривают эластичные "юбки" и другие гибкие ограждения частично или по всему периметру днища.

Гибкое ограждение при встрече с препятствиями деформируется и обтекает его, а затем под воздействием воздуха, поступающего в область воздушной подушки, занимает исходное положение. Изобретенное в начале 50-х годов гибкое ограждение значительно ускорило процесс создания аппаратов на ВП, а также значительно расширило сферы их применения. Это такое же крупное и важное техническое открытие, как надувная резиновая шина и система подвески автомобиля. При той же мощности нагнетателя высота преодолеваемых препятствий возросла в десять раз. Гибкое ограждение позволяет без значительных потерь воздуха аппарату на ВП проходить на суше над неровностями поверхности (кустарником, пнями, рытвинами, буграми и т. д.) и над волнами. В большинстве случаев современное гибкое ограждение представляет собой двухъярусную конструкцию. Верхний ярус, который непосредственно крепится к машине, выполнен монолитным. Нижний ярус состоит из отдельных элементов пылеобразного типа, играющих роль сопел. При износе или повреждении они легко заменяются. Это снижает затраты труда при эксплуатации аппарата и повышает срок службы гибкого ограждения.

В аппаратах с так называемой воздушной смазкой (см. рис. 13,к) сжатый воздух поступает от нагнетателя в узкую плоскую щель а, отделяющую основание аппарата от опорной поверхности, и выходит во все стороны. Воздух обладает вязкостью и, проходя через узкую щель, тормозится, испытывая трение. При этом под днищем машины образуется зона повышенного давления. Тонкий слой воздуха, истекающий через щель, играет обычную роль смазочного масла, и тип ВП возможен лишь при очень гладких опорных поверхностях (высота подвеса составляет доли миллиметра) и в транспортных средствах не нашел применения.

Существуют аппараты и со своеобразной "обращенной" ВП - вакуумной. В такой ВП создается не повышенное, а пониженное давление по сравнению с окружающим атмосферным давлением, т. е. вакуум. Несущую силу создает здесь окружающий атмосферный воздух, именно он приподнимает машину. Такая система подвешивания бесшумна. Ее предполагали использовать для скоростных пригородных и городских поездов железнодорожного транспорта.

К сожалению, до сих пор человек не построил универсального транспортного средства, которое передвигалось бы везде и всюду: по воде, суше, болоту, могло бы преодолевать горы, леса и т. д. Мечта об этом выражена в фольклоре и сказках. Как тут не вспомнить "ступу с Бабою Ягой", семимильные сапоги-скороходы и т. д. Однако в этих "источниках информации" нет сведений ни о "технических характеристиках", ни о "конструкции" этих транспортных средств. Стремясь создать если не универсальный, то хотя бы специальный транспорт для бездорожья и для движения по воде, мы, очевидно, приближаемся к цели. Это и есть транспортные средства на ВП.

Ведь главной (первой) особенностью транспортного средства на ВП является очень низкое давление этого средства на опорную поверхность. Это происходит потому, что масса аппарата с грузом равномерно распределяется по всей площади, занимаемой воздушной подушкой. Давление аппарата на ВП на опору такое же или даже меньше, чем у лыжника. Оно в сотни раз меньше, чем давление колес автомобиля. Вот откуда эта способность двигаться - не вязнуть и не тонуть - по снегу, болоту и даже по воде!

Вторая особенность транспортных средств на ВП в том, что они перемещаются по слою воздуха между основанием машины и опорной поверхностью, так как контакт между последней и аппаратом отсутствует. Поэтому при горизонтальном перемещении машины на ВП требуется преодолевать только сопротивление воздушной среды, и, как следствие, для такого перемещения необходима гораздо меньшая мощность, чем для автомобилей или гусеничных машин. Кроме того, у автомобилей мощность расходуется на потери в трансмиссии, на деформацию и трение шин и т. д., а у гусеничных машин, кроме того, большие потери в системе движения гусеничного устройства. Несмотря на затраты мощности на создание самой ВП, ни автомобилям, ни гусеничным машинам не хватит мощности для условий, при которых могут работать транспортные средства на ВП.

Для горизонтального перемещения аппаратов на ВП применяют воздушные (рис. 14, а, б, в), водяные (рис. 14, г, д) и колесные движители (рис. 14, е). Воздушный движитель может быть установлен на машинах, движущихся как над сушей, так и над водной поверхностью. Это может быть авиационный винт в кольце (см. рис. 14, б) и без него (см. рис. 14, а); осевой или центробежный вентилятор, а также воздушно-реактивный движитель - сопло (см. рис. 14, в).

Для аппаратов, двигающихся только над водной поверхностью, применяют гребной винт (см. рис. 14, г) или водометный движитель (см. рис. 14, д). Эти движители по сравнению с воздушными создают большее тяговое усилие на 1 кВт мощности двигателя.

Рис. 14. Виды движителей аппаратов на ВП

Если же ВП используют только для частичной разгрузки транспортного средства, и оно во время движения контактирует с опорной поверхностью, то в качестве движителя применяется колесо или гусеничное устройство. Управление такими аппаратами во время движения значительно упрощается. Они более устойчивы и могут преодолевать значительные подъемы и спуски.

Примерная классификация транспортных средств на ВП приведена на рис. 15. Однако эта классификация может быть продолжена.

Рис. 15. Примерная классификация аппаратов на ВП

Например, по назначению транспортные аппараты могут быть пассажирскими, грузовыми, спортивными, туристическими, сельскохозяйственными, спасательными и т.д. А надводные аппараты можно разделить еще на транспортные средства, применяющиеся на внутренних водоемах, В прибрежных водах и на море.