Окно в будущее. Межконтинентальный корабль будущего
Окно в будущее. Межконтинентальный корабль будущего
Водная поверхность нашей планеты в три раза обширнее, чем суша. А скорость передвижения по ней, учитывав все более и более убыстряющийся характер деятельности людей и их нужды, крайне медленна.
И в этой связи нам захотелось помечтать о том, каким должен быть и, видимо, будет межконтинентальный пассажирский корабль ближайшего будущего.
Оттолкнемся от сегодняшнего уровня судостроительной техники и попробуем заглянуть за видимый горизонт.
Трансатлантические лайнеры типа «Куин Мэри» или «Юнайтед Стейтс» развивают скорость 55-58 км/час. Советский двухкорпусный глиссирующий стотридцатиместный «Экспресс», плававший в 1940 году на линии Сочи – Сухуми, ходил с крейсерской скоростью – 72 км/час. Чтобы новое судно действительно могло называться кораблем будущего, его скорость должна быть, по крайней мере, равна 200 км/час, то есть шагнуть вперед хотя бы так, как шагает пассажирский самолет, утроивший свою скорость за последние 30 лет. При такой скорости переход от владивостокской бухты Золотой Рог до Золотых Ворот сан-францисской бухты, на расстояние 8400 км, займет менее двух суток, а рейс вокруг света через Суэцкий и Панамский каналы – 8 суток!
Океанский корабль! Он не должен быть маленьким. С другой стороны, при громадной скорости может ли он быть слишком большим? В конце концов, размеры корабля определяются числом пассажирских мест. Сколько же? Пожалуй, тысяча. Это уже серьезно. Попробуем, исходя из этого, наметить контуры корабля и разместить пассажиров и команду так, чтобы обеспечить им все нужное для поездки и работы с наивысшим комфортом и удобствами.
Во-первых, для сна и отдыха нужны каюты. Примерно шестьсот двухместных спальных кают. Далее нужна прогулочная палуба, самое приятное место на корабле. Но при скорости 200 км/час ее придется сделать закрытой.
Пожалуй, это должна быть палуба-сад с прозрачной крышей, фонтанами и десятками уютных уголков, располагающих к отдыху. Зелень, море, солнце! Может быть, там будут летать колибри или громадные экзотические бабочки. Наверное, будет много цветов, а может быть, и плодов.
Чтобы воздушное лобовое сопротивление не было большим, корпус корабля должен приближаться к форме вытянутой капли, напоминая фюзеляж современного самолета.
Но многим хочется смотреть вперед. Поэтому в носовой части нужно сделать один или два салона для обзора. На корабле надо устроить большой кинозал, мест на 300–350, который можно было бы использовать и как концертный и как лекционный. За три сеанса все пассажиры смогут посмотреть новый фильм. Кинозал разместим ближе к корме и сделаем его с балконом.
Нигде не должно быть жарко, а зимой – холодно.
Пыли на море нет. Не зря японцы свою знаменитую лаковую мебель делают на баржах, стоящих на якорях вдали от берега. Следовательно, фильтровать от пыли воздух не нужно. Нужно только охлаждать его или подогревать и, может быть, осушать, если влажность его будет выше нормы. Причем на ходу, за счет скорости движения воздух сам будет входить в воздухозаборники, расположенные в носовой части корабля. Нам останется лишь кондиционировать его и распределять.
Под воздухозаборником, на самой передней точке корабля, высоко над водой нужно разместить штурманский пост и рулевую рубку.
Мощные радиолокаторы и гидролокаторы будут докладывать штурману обо всем, что находится впереди корабля, в воздухе, на воде и под водой. Кроме того, рулевая рубка будет оснащена всеми новейшими приборами для безопасного и правильного ведения корабля по кратчайшему маршруту прямо к цели.
Надо также позаботиться о том, чтобы кораблю не был страшен никакой тайфун.
Наивысшие скорости ураганных ветров достигают 30-40 м/сек, а наш корабль будет двигаться со скоростью 55 м/сек – в полтора раза быстрее любого ветра. Следовательно, он всегда может уйти от тайфуна.
Вот мы решили – 200 км/час! А как развить такую скорость? Что надо сделать, чтобы ее получить?
Скорость корабля определяется сопротивлением движению и располагаемой величиной тяги для преодоления этого сопротивления. Выясним, что надо сделать, чтобы получить наименьшее сопротивление движению.
Звуковой барьер давно преодолен современными самолетами. Теперь скорость наибыстрейших самолетов приближается к тепловому барьеру.
Скорость кораблей практически уперлась в «волновой» барьер. Волновое сопротивление растет пропорционально четвертой и пятой степени от скорости. И чтобы получить удвоенную скорость, нужно в 16-20 и более раз увеличить мощность машин. А на некоторых кораблях машины и сейчас занимают почти ¾ объема их трюмов. Поэтому надо искать другой принцип движения. Упомянутый выше сочинский глиссирующий теплоход «Экспресс» конструкции автора этой статьи кратковременно развивал скорость 86 км/час. Торпедные катера конструкции академика А. Н. Туполева скользили по воде со скоростью до 110 км/час. Но в океане нередко волны достигают высоты шести и более метров. Тут глиссирующие обводы не годятся. Со скоростью же 200 км/час ни одно судно по волнам скользить не сможет. Кроме того, мы конструируем корабль завтрашнего дня, а у нас уже сегодня ходят суда на подводных крыльях. И их скорость очень высокая. Опытные катера конструкции Р. Е. Алексеева – «Ракета» и новый 150-местный «Метеор» – развивали скорость до 130 км/час. Это то, что нам нужно. Есть все основания полагать, что при разработке новых профилей подводных крыльев эту скорость можно будет увеличить в полтора раза.
Общая схема нашего корабля получается такой: каплевидный корпус длиной 122 м опирается шестью высокими стойками на стреловидные, глубоко погруженные подводные крылья. Возвышение корпуса такое, что волны высотой в 6 м свободно проходят между его дном и крыльями.
Ну, а если в жесточайший шторм волны будут более высокими? Не страшно. Более высокие волны в то же самое время и более длинные. Корабль будет частично описывать их, несколько приподнимаясь и опускаясь.
Управляемые мощными гидравлическими механизмами, в свою очередь контролируемыми чувствительнейшими жироскопическими и электронными датчиками, крылья с изменяемым углом атаки обеспечат продольную и поперечную остойчивость корабля.
Очень важно, что пассажиры при ходе корабля на крыльях совершенно не будут испытывать качки. Это проверено на морских глиссерах и на судах на подводных крыльях, пассажиры которых совершенно не укачиваются.
Сытно, вкусно и быстро накормить тысячу человек – задача не такая уж легкая. На корабле придется иметь несколько ресторанов-автоматов. Продукты питания удобно будет брать на корабль а виде полуфабрикатов, хранить в холодильниках и готовить в электрокухнях. Для ускорения самообслуживания наборы готовых завтраков, обедов и ужинов будут сервироваться на подносах, а пассажир выберет из них то, что придется ему по вкусу. Очевидно, что такая система позволит обойтись минимальным количеством обслуживающего персонала.
Рассмотрим теперь силовую установку.
Гидродинамическое качество, то есть отношение веса судна к сопротивлению, на наивыгоднейшем режиме движения должно составить 12:1. Тогда если общий вес нашего корабля оценить в 3 тыс. т, нам нужна тяга 3000 : 12 = 250 т.
Для получения такой тяги от обычной силовой установки при кпд гребного винта 0,62 нужна мощность около 300 тыс. л.с.. Это немало. Самые большие трансатлантические лайнеры водоизмещением 80-90 тыс. т имеют установки в 200 тыс. л.с..
В качестве источника энергии для получения требующейся громадной мощности мы, конечно, обратимся к атомному реактору. Но атомный реактор дает тепло, а нам нужна тяга.
Пока преобразование тепла, отдаваемого атомным реактором, в механическую энергию производится паровыми или газовыми турбинами. Чтобы кпд турбины был высоким, она должна вращаться с большим числом оборотов, а необходимые для работы винтов малые обороты получаются с помощью редуктора.
Кроме там называемых турбозубчатых агрегатов, в которых объединены турбина и редуктор, нужны парогенераторы, в которых будет вырабатываться пар, необходимый для приведения во вращение турбин, и конденсаторы для превращения отработанного пара в питательную воду. В случае применения газовых турбин нужны мощные турбокомпрессоры и холодильники. По-видимому, установка в 300 тыс. л.с. вообще не поместится в намеченные нами размеры и водоизмещение корабля.
Поищем другое решение Попробуем наметить контуры принципиально нового вида силовой установки.
У всякого судового движителя тяга появляется в результате отбрасывания им масс воды или воздуха. Водяной винт отбрасывает назад воду, реакция от давления на винт отбрасываемой струи и дает нам тягу вперед. То же происходит на лопастях воздушного винта – пропеллера, отбрасывающего назад воздух.
Попробуем использовать и развить идею водометного, или, как его еще называют, гидрореактивного движителя.
На передней кромке подводного крыла разместим водозаборное отверстие, войдя в которое морская вода по трубопроводу, проложенному в стойке крыла, пойдет к установленному в машинном отделении насосу, развивающему давление 15 кг/см². За счет скоростного напора от движения судна это давление по мере набора скорости постепенно увеличивается до 30 кг/см². Если бы мы теперь направили эту воду в выходное сопло, то получили бы обычный водометный движитель. Причем мощность насосной установки должна быть еще больше, чем 300 тыс. л.с., так как кпд водомета ниже, чем принятый нами кпд винта – 0,62.
Пойдем на хитрость. Попробуем нагреть, точнее перегреть, воду перед тем, как направить ее в сопло. Установим для этого теплообменник, в котором морскую воду будем нагревать за счет тепла, вырабатываемого в атомном реакторе. При давлении 30 кг/см³ вода в теплообменнике может быть нагрета без ее кипения приблизительно до 230°С.
Теперь, если эту перегретую воду направить в открытое с одного конца сопло, примерно такое же, как применяющееся в паровых турбинах сопло Лаваля, но только во много раз больших размеров, то окажется, что с одной стороны сопла давление равно атмосфере – 1 кг/см², а с другой – 30 кг/см². Ясно, что вода с силой потечет в сторону меньшего давления. Внутри сопла давление будет преобразовываться в скорость движения водяной струи. Это если не учитывать, что вода перегрета.
Но, как только перегретая вода пройдет наиболее узкое сечение сопла, давление в струе понизится и вода начнет закипать, в каждой ее мельчайшей капельке начнет образовываться пер. Но скорость распространения давления, то есть скорость звука, в такой закипающей жидкости очень мала. Помните, как туман заглушает все звуки? Поэтому наибольшая, то есть критическая, скорость движения жидкости в самом узком сечении сопла установится очень небольшой, а скорость истечения пароводяной смеси за пределами узкой части сопла окажется уже сверхзвуковой. Сопло Лаваля как раз и предназначено для разгона расширяющейся среды до сверхзвуковых скоростей. Образующийся из воды пар, расширяясь в сторону открытого конца сопла, будет разгоняться сам и разгонять еще не успевшую испариться воду. Причем по мере понижения давления из пароводяной смеси будут образовываться все большие и большие объемы пара.
Процесс будет продолжаться до исчерпания запаса тепла, накопленного в воде и расходуемого на испарение, то есть переходящего в скрытую теплоту парообразования. Получающийся пар с большим содержанием в нем воды называется влажным.
И вот мощная струя влажного пара, вытекающая из сопла, размещенного на кормовом срезе нашего каплевидного корпуса, со скоростью в несколько сот метров в секунду, и создаст нам реактивную тягу, обеспечивающую скорость движения корабля в 200 км/час.
Конечно, в предлагаемой схеме движителя много «подводных камней». Но ведь мы с самого начала уговорились заглянуть «за видимый горизонт».
На некоторые из вопросов можно попытаться дать ответ сейчас, на другие ответа еще нет.
При нагреве морской воды на стенках трубок теплообменника могут выпадать соли, и тогда теплопередача ухудшится. Но известно, что уже сейчас с накипью борются применением ультразвука. Можно бороться с солевыделением, применяя небольшие химические добавки к морской воде. Для работы водяного насоса, перекачки теплоносителя из реактора в теплообменник, управления крыльями, питания кухонь, освещения и т. д. нужна электроэнергия. Поэтому на корабле должна быть электростанция с силовой установкой, состоящей из парогенераторов и турбины, работающих за счет тепла того же атомного реактора.
Кроме того, для маневрирования в порту во время швартовки, для обслуживания главной силовой установки при запуске ее и для освещения и вентиляции корабля на стоянке, когда атомный реактор не работает, необходима вспомогательная силовая установка, например из нескольких дизель-моторов типа «М-50» мощностью по 500 л.с., которые обеспечат все нужды корабля на стоянке и при маневрировании в порту.
Поскольку два верхних этажа отведены прогулочной палубе, кинозалу, ресторанам, а также читальному залу, комнатам игр, детской комнате, музыкальному салону и спортивному залу, спальные каюты будут размещены в трех нижних этажах, куда можно будет спускаться и по лестницам и лифтами. Во всех каютах будет обеспечено кондиционирование воздуха и регулируемый по яркости свет.
Переборки между каютами из пенопласта или многосотовых панелей обеспечат полную звукоизоляцию и, следовательно, спокойный сон пассажиров.
Выбор материала для корпуса корабля не так прост, как кажется. К материалу для корабля будущего мы вправе предъявить требования легкости, высокой прочности и полного отсутствия ржавления в морской воде.
Таким материалом, например, является титан, точнее титановые сплавы. Из титанового сплава с удельным весом 4,5 и прочностью, как у самых высококачественных легированных сталей, мы и выполним цельносварной корпус нашего корабля в нижней его части. Он не потребует окраски, совершенно не будет ржаветь в морской воде. Пока еще есть трудности с его сваркой, но они уже преодолеваются.
Верхнюю, надводную, часть можно выполнить из стеклотекстолита, то есть пластика, который по структуре похож на железобетон. Тончайшие и чрезвычайно прочные стеклянные нити играют в нем роль арматуры, а искусственные смолы – роль бетона. Прочность стеклотекстолита составляет примерно 75% от прочности дюраля, а по весу он вдвое легче.
Из пенопласта, покрытого стеклотекстолитовыми панелями, на поверхность которых может быть нанесен рисунок любого цвета, будут выполнены и все внутренние переборки, стены, мебель и т.д. Применение пенопластов в качестве конструкционного материала сделает корабль непотопляемым.
Остекление корабля будет произведено прозрачными пластмассами типа плексигласа, но только с твердым, не царапающимся поверхностным слоем.
Но прозрачные пластмассовые панели не будут вставляться в рамы, как это делается сейчас. Они просто будут вварены в пластмассовые же стены. Плексиглас и сейчас неплохо сваривается, а к тому времени процесс сварки пластмасс разных сортов будет хорошо освоен. Вваренное остекление создаст монолитную конструкцию всего корпуса с минимальным количеством ослаблений от вырезов, то есть обеспечит особую его прочность и надежность.
Особенно важен вопрос о выборе материала для подводных крыльев и их стоек, которые должны иметь и всегда сохранять блестящую, полированную поверхность и быть прочными при малой толщине. По-видимому, крылья будут изготовлены тоже из титанового сплава, если к тому времени не будет создано какого-либо нового сверхпрочного и не корродирующего материала. Ведь плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, и поэтому подъемная сила крыльев, идущих в воде на той же скорости, в 800 раз выше, чем в воздухе. При весе корабля в 3 тыс. т, на скорости 200 км/час общая площадь крыльев, на которых он будет скользить, составит всего около 250 м².
Последний вопрос, который затрагивает всех, – это не будут ли пассажиры корабля подвергаться вредному облучению? Нет, конечно, нет! Атомный реактор и все трубопроводы и оборудование первичного контура, содержащие сильно радиоактивные вещества, изолированы от всех остальных помещений судна и надежно окружены соответствующей биологической защитой.
Остается решить: насколько реальна постройка такого самого быстроходного в мире корабля? Для этого нужно, конечно, провести большие экспериментальные работы и решить ряд проблем.
С целью отработки ходовой части, управляемости и мореходности, видимо, придется построить две-три самоходные модели-прототипа: одну, например, в масштабе 1:5, весом в 24 т, со скоростью около 100 км/час, с авиационным турбореактивным двигателем.
Пожалуй, такой корабль мог бы выйти на испытания в недалеком будущем.
Впрочем, жизнь всегда опережает наши предположения.
источник: В. Гартвиг, инженер-конструктор, Рис. К Арцеулова и Г. Комса «Окно в будущее. Межконтинентальный корабль будущего» // Техника-молодежи 1960-06, стр.19-22
