ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЦАГИ
Кандидат технических наук В. СОКОЛЯНСКИЙ, заместитель директора ЦАГИ, начальник филиала ЦАГИ.
Президиум Госплана 25 июня 1925 года постановил «… немедленно приступить к строительству при ЦАГИ гидродинамической лаборатории для обслуживания в первую очередь отечественного гидропланостроения, судостроения и постройки турбин».
Гидродинамические исследования в ЦАГИ шли по двум основным направлениям: изучение объектов, движущихся в воде и по её поверхности, и потоков воды в закрытых каналах и открытых руслах.
Диапазон тем был исключительно широк — от способов транспортировки полезных ископаемых по желобам, заполненным водой горных рек, до ударных нагрузок на опоры мостов во время ледохода. При строительстве Днепрогэса в гидравлической лаборатории было смоделировано в масштабе 1:225 русло Днепра с плотиной электростанции. Опыты позволили определить нагрузки на тело плотины, оптимизировать форму гасителей энергии падающего водного потока, дать прогноз распределения скоростей течения воды по всему строительному участку Днепра. Тогда же в институте был создан крупнейший в мире прибор для оценки эффективности турбин. В Европе и США были получены образцы турбин. Представленные на конкурс французские, итальянские, немецкие, шведские и швейцарские агрегаты показали кпд почти на 5% ниже, чем американские. А эти пять процентов, между прочим, были эквивалентны половине мощности Волховской ГЭС.
Главным элементом экспериментальной базы ЦАГИ для исследования движения объектов в воде стал гидроканал. Основные показатели его технического совершенства — высокая скорость буксировки (до 15 м/с, самая высокая на тот момент в мире), плавность хода буксировочной тележки и точность проводимых замеров.
Компоновку канала и его оборудование разрабатывал А. Н. Туполев при участии М. Н. Петрова. Для размещения рельсового пути по бортам ванны устроили консольные навесы. Это позволило при ширине зеркала воды 12 м уменьшить колею до 8 м, значительно снизить массу, повысить жёсткость буксировочной тележки. Канал начали строить летом 1925 года, а уже в январе 1927 года он был заполнен водой.
О точности укладки рельсового пути, начатой летом 1928 года, говорит то, что благодаря учёту кривизны поверхности Земли уход рабочей поверхности рельсов от прямой линии составил на длине гидроканала около 3 мм. 30 апреля 1930 года канал был запущен в работу, и уже через несколько недель здесь начались исследования.
В 1930-е годы во всём мире, в том числе и в Советском Союзе, бурно развивалась гидроавиация. В экспериментальном гидродинамическом отделе (ЭГО) ЦАГИ прошли комплексные исследования и испытания модели всех отечественных гидросамолётов того периода. В их числе сложные экспериментальные исследования удара гидросамолёта о воду при посадке. В это же время проведены очень важные физические исследования по глиссированию на схематизированных моделях.
Одновременно с экспериментальными были широко развёрнуты теоретические исследования. Под руководством С. А. Чаплыгина были решены задачи глиссирования плоской пластинки и глиссирования пластинки по поверхности тяжёлой жидкости.
По результатам исследований в 1938 году издательство ЦАГИ выпустило второй том «Справочника авиаконструктора» — «Гидромеханика гидросамолёта», остающийся настольной книгой для всех отечественных разработчиков амфибийных летательных аппаратов.
Перед самой войной в свет вышла замечательная книга Л. А. Эпштейна «Устойчивость глиссирования гидросамолётов и глиссеров». В этой работе впервые была выявлена область устойчивого глиссирования для двухреданных корпусов и предложены методы определения её границ. В последующем границы области устойчивого глиссирования в координатах «скорость глиссирования — угол дифферента» вошли в руководства для лётчиков по технике пилотирования на воде.
Во время Великой отечественной войны на коллектив гидродинамической лаборатории ЦАГИ была возложена задача определения характеристик надводных кораблей и подводных лодок.
В послевоенный период гидродинамическое отделение ЦАГИ сосредоточилось на проблемах гидродинамики высоких скоростей. При этом обозначились два направления исследований: авиационно-судовое и развитых кавитационных течений. Первое обеспечивало исследования динамических способов поддержания на воде летательных аппаратов водного базирования и скоростных судов, второе изучало движение тел в режимах развитой кавитации и при пересечении границы раздела поверхности «вода — воздух».
В середине 1940-х годов Л. А. Эпштейн опубликовал в «Трудах ЦАГИ» результаты исследований кавитации. На начальных стадиях кавитация проявляется в виде небольших пузырьков, наполненных насыщенными парами жидкости. При увеличении скорости и снижении статических давлений кавитационные пузырьки разрастаются в так называемые каверны. Течения, в которых присутствуют кавитационные каверны, получили название суперкавитационных. В своих опытах Л. А. Эпштейн показал, что подача газа в область возникновения кавитации приводит к формированию искусственных кавитационных каверн, размеры которых зависят от расхода подаваемого газа. Оказалось, что, если некое тело укладывается в габариты каверны, его гидродинамическое сопротивление определяется сопротивлением головной части (кавитатора), а размеры, масса и форма не играют роли.
Важным этапом в развитии теоретических методов изучения развитых кавитационных течений стал сформулированный в первой половине 1950-х годов профессором Г. В. Логвиновичем принцип независимости расширения каверны. Он гласит: развитие фиксированного относительно жидкости поперечного сечения каверны в основном определяется сопротивлением кавитатора в момент прохождения данного сечения и разницей давлений внутри и вне каверны и мало зависит от предыдущего и последующего движения кавитатора. Использование принципа независимости расширения позволило оценить деформации продольной оси горизонтальной каверны в весомой жидкости и определить форму каверны при кавитационном входе тел в воду.
С конца 1940-х годов начались попытки реализовать скоростной объект, движущийся в режиме развитой кавитации. Первые опытные образцы были сделаны в конце 40-х годов, но только к началу 60-х концепция суперкавитирующего объекта обрела законченность и появилась возможность его практической разработки.
Одно из наиболее существенных достижений гидродинамиков ЦАГИ — разработка гидродинамической компоновки ракеты-торпеды «Шквал». Программа «Шквал» реализована в исключительно короткие сроки: уже в 1977 году первые серийные ракеты-торпеды поступили на вооружение. За реализацию первого этапа программы её руководитель Г. В. Логвинович удостоен Ленинской премии, часть сотрудников награждены Государственными премиями, 25 человек — орденами и медалями. Аналогичные по содержанию программы в течение более 40 лет пытались реализовать и за рубежом, однако до сих пор известно только об отдельных опытных образцах скоростных торпед, успешно прошедших испытания.
Наряду с исследованиями стационарных или почти стационарных режимов кавитационного обтекания необходимо было изучить существенно нестационарные течения, возникающие при быстром входе в воду тел различной формы. Такие режимы движения отличаются особой сложностью, поскольку сопровождаются деформацией свободной поверхности жидкости, быстрым изменением смоченной поверхности тела, развитием нестационарных каверн с участием атмосферного воздуха, различными типами замыкания каверн.
Результат исследований — возможность достижения телом, имеющим определённую расчётную форму, больших глубин за очень короткое время. Так, при начальной скорости 1200 м/с тело массой 500 кг, движущееся по инерции, может достичь глубины 500 м менее чем за 1 секунду при условии, что его средняя плотность примерно в 6 раз превышает плотность воды.
Ещё одно важное направление исследований — гидродинамика подводного старта объектов морского вооружения.
Теоретически и экспериментально были исследованы гидродинамика и динамика взаимодействия ракеты, выходящей из вертикальной шахты движущейся подвод- ной лодки, с поперечным потоком воды. Кинематическая схема трёхкомпонентных внутримодельных динамометров позволила измерять осевые и боковые силы, а также моменты боковой силы в условиях кратко-временных процессов. В опытах с динамически подобными моделями, стартующими из движущейся в гидроканале шахты, удалось проверить разработанную математическую модель и показать хорошее соответствие теории и эксперимента.
Для решения проблем гидродинамики подводного старта в ЦАГИ создали комплекс крупномасштабных установок как в Москве, так и на экспериментальной площадке в Дубне. В 1960 году введён в эксплуатацию первый в стране баллистический бассейн с донной тележкой и пневматической катапультой для гидродинамических испытаний самоходных моделей.
Процессы выхода ракеты из пусковой шахты движущейся под водой лодки и из-под воды в атмосферу сопровождаются рядом специфических эффектов, иногда неожиданных. Так, оказалось, что при выходе тела из воды в момент разрушения тянущегося за ним водяного «кокона» возможно появление значительных поперечных сил ударного характера. Возникающая при замыкании донной каверны в процессе выхода ракеты из воды кумулятивная струя может попасть в сопло ракетного двигателя и нарушить его запуск.
Исследования по скоростному движению тел в воде и вблизи границы раздела сред «вода — воздух» послужили основой создания отечественной школы гидродинамики течений со свободными границами. Эта область механики стала, по существу, самостоятельным разделом аэрогидродинамики, чему во многом способствовал выход в свет в 1969 году монографии Г. В. Логвиновича «Гидродинамика течений со свободными границами».
В начале 1950-х годов возрос интерес к самолётам морского базирования, поскольку считалось, что только поверхность морей и океанов в условиях ядерной войны может обеспечить надёжные взлётно-посадочные полосы. И у нас и в США прорабатывались варианты гидросамолётов — стратегических носителей ядерного оружия, а также фронтовых истребителей. С появлением межконтинентальных ракет американские программы были свёрнуты. В России же разработка самолётов водного базирования практически не прерывалась. Изменилось лишь их целевое назначение: для ВМФ были необходимы противолодочные, патрульные и поисково-спасательные машины.
Однако наступала эра реактивной авиации. Увеличение крейсерской скорости самолётов привело к почти пропорциональному росту взлётно-посадочных скоростей, что резко обострило проблему обеспечения устойчивости и мореходности при движении по волнам. В ходе испытаний реактивной летающей лодки Р-1, созданной в ОКБ Г. М. Бериева в 1951—1952 годах, возникли столь значительные трудности, что заговорили даже о гидродинамическом барьере скорости, и только после примерно годовых совместных усилий конструкторов и гидродинамиков ЦАГИ удалось достичь устойчивости самолёта при разбеге по воде. Накопленный при создании Р-1 опыт позволил разработать гидродинамическую компоновку первой в мире серийной реактивной летающей лодки ОКБ Г. М. Бериева Бе-10 (1956 г.).
В 1960 году совершил первый взлёт самолёт-амфибия Бе-12. С 1964 по 1973 год он строился серийно. Этот самолёт установил 42 мировых рекорда. Несколько экземпляров Бе-12 были модифицированы в грузопассажирские и противопожарные.
Практическим воплощением теоретических и экспериментальных исследований режимов глиссирования в 70—80-е годы стал созданный ТАНТК им. Г. М. Бериева самолёт-амфибия А-40 «Альбатрос», совершивший первый полёт в 1986 году. Самолёт обладает прекрасными гидродинамическими и мореходными характеристиками (высота преодолеваемой ветровой волны — до 2 м), а его лётно-технические характеристики (крейсерская скорость — 700—750 км/ч, аэродинамическое качество — более 16) близки к характеристикам аналогичных по размерам самолётов сухопутного базирования или даже превосходят их. На этом самолёте установлено более 170 официально зарегистрированных мировых рекордов.
Самолёт-амфибия А-40, проектировавшийся как противолодочный, в серийное производство не пошёл. Однако все использованные в его компоновке новые решения применены на новом Бе-200, который имеет масштаб 0,76 по отношению к «Альбатросу». Вдвое меньший по массе Бе-200 по эффективности применения не имеет аналогов в мире.
Для этого самолёта в ЦАГИ разработали систему заполнения баков водой на режимах глиссирования. С помощью оригинальных «ковшей» вода забирается с поверхности водоёма в темпе до 1 т/с при скорости глиссирования около 60 м/с. При этом не нарушается устойчивость движения самолёта, а дополнительное сопротивление равно просто импульсивному сопротивлению забираемой воды. В основу концепции положена идея свободнолетящей струи, проходящей водоводы от водозаборника до ёмкостей без полного перекрытия сечения водоводов. Ковши водозаборника располагаются за реданом лодки, «выглаживающим» поверхность воды.
Следующим шагом после разработки «Альбатроса» и Бе-200 в ЦАГИ стало исследование новых компоновок. Яркий пример — схема с низкорасположенным крылом, глиссирующим на сходящих с носовой части лодки струях. Образующаяся трёхточечная схема глиссирования обладает повышенной устойчивостью и мореходностью. Низкорасположенное крыло даёт существенные преимущества в компоновке самолёта: уменьшается высота стоек сухопутного шасси, устраняются подкрыльные поплавки, совершенствуются обводы кормовой части. Оценки показывают, что перспективный океанский самолёт-амфибия с низкорасположенным крылом может иметь эродинамическое качество до 19—20 и крейсерскую скорость до 850 км/ч, преодолевая при движении по воде ветровую волну высотой до 3,0—3,5 м. Прототипом такого самолёта послужит разработанная ТАНТК им. Г. М. Бериева лёгкая амфибия Бе-103, сертифицированная в 2001 году.
В 1960—1980-е годы в России был развит новый класс летательных аппаратов — экранопланы (см. «Наука и жизнь» № 3, 2002 г.). Основные проблемы, связанные с созданием экранопланов, — обеспечение мореходности, устойчивости и управляемости. Экспериментальное изучение гидродинамики экранопланов потребовало внедрения новых методов моделирования. Особое место в экспериментальных исследованиях занимали опыты с летающими моделями, позволявшие воспроизвести такие сложные явления, как реакция на сильные возмущения при старте ракеты с борта экраноплана.
Очень интересное направление исследований — гидродинамика подводных крыльев. Физические аспекты, такие как зависимость характеристик от формы профиля, удлинения, глубины погружения, процессы прорыва воздуха к крыльям и аэрации, кавитационные срывы, подробно изучали Л. А. Эпштейн и его сотрудники. Результатом исследований стало создание судов на подводных крыльях «Ракета», «Метеор», «Буревестник» и ряда кораблей для нужд ВМФ. На одном из экспериментальных судов Зеленодольского ПКБ в 1960 году достигнута рекордная скорость — 180 км/ч.
Ещё одна разработка ЦАГИ внедрена в последние годы. Это автоматически управляемые гидродинамические интерцепторы для скоростных глиссирующих судов. Интерцепторы — установленные на днище глиссера поперечные пластины высотой около 1% от ширины днища. Оказалось, что они заметно увеличивают гидродинамическое качество и соответственно скорость хода при неизменной мощности двигателей, при этом позволяют в 1,5—2 раза снизить килевую качку и в 6—8 раз бортовую.
Исследования воздушной подушки, развёрнутые в конце 1950-х годов, показали, что она может стать эффективным средством обеспечения внеаэродромного базирования самолётов. Это особенно важно для слабоосвоенных и малодоступных регионов России, где создание аэродромной инфраструктуры требует гигантских капитальных вложений. Самолёт с шасси на воздушной подушке может базироваться на воде, болоте, кочковатом слабом грунте, ледяных застругах, снежной шуге и т.д., оставляя далеко позади по этому показателю не только вертолёты, но и все традиционные вездеходы. К сожалению, до сих пор шасси на воздушной подушке не вышло за рамки опытных образцов.
Значительное место занимает моделирование процессов аварийной посадки авиационно-космической техники на воду. Уже в 1940—1960-е годы была исследована возможность аварийной посадки на воду более 20 типов отечественных пассажирских и транспортных самолётов. В настоящее время заключения ЦАГИ о возможности такой посадки получают все пассажирские самолёты, выполняющие полёты над морями и океанами.
Сейчас на базе испытательной лаборатории в Дубне на Московском море разворачивается гидроаэродром экспериментальной авиации для натурных испытаний самолётов-амфибий взлётной массой до 10 т. Уже на стадии развёртывания гидроаэродрома освоены новые современные технологии: спутниковая система навигации, светосигнальное оборудование на основе высокоэффективных световозвращающих плёнок. Эти технологии могут быть использованы при создании гидроаэродромов местных воздушных линий. При минимальном уровне затрат они обеспечивают соответствие гидроаэродрома требованиям отечественных и международных норм по оборудованию аэродромов гражданской авиации.
Читайте в любое время
