Как ухватиться за волну

КАК УХВАТИТЬСЯ ЗА ВОЛНУ

Б.И.Голдовский

 

Поскольку автор по специальности кораблестроитель, то первое знакомство с рассказом Г.Альтова «Создан для бури» произвело на него потрясающее впечатление. Столь новаторской идеи в судостроении до сих пор не встречалось. Впоследствии был выполнен инженерный анализ идеи, который показал, что не всё так просто. Представляется, что знакомство с результатами этого анализа будет полезно для специалистов и преподавателей ТРИЗ как пример формирования принципа действия перспективной изобретательской идеи.

В известном рассказе Г.Альтова «Создан для бури» был предложен принципиально новый способ перемещения по воде со скоростью движущейся волны. Способ этот заключался в создании искусственного «цунами», то есть волны высотой 5 м, движущейся со скоростью 600 км/ч, за которую должен зацепиться «волноход», представляющий собой овальную платформу с установленным на ней планером. Планер нужен был для того, чтобы  обеспечить безопасное завершение движения при существенном росте высоты цунами, накатывающегося на берег. Создавать искусственную волну фронтом в 50 м предполагалось за счет взрыва.

 Говоря о движении волны, следует помнить, что с большой скоростью перемещается форма волны, а частицы воды при этом совершают движение по окружности, диаметр которой равен высоте волны. Например, если скорость движения волны 600 км/ч = 167 м/с (что соответствует периоду волны 107 с и её длине 17,8 км), то скорость кругового движения частиц воды при высоте этой волны в 5 м составляет только 0,15 м/с. При движении волны наблюдается и перемещение частиц воды в направлении хода волны, но скорость этого перемещения значительно меньше скорости кругового движения. Поэтому для того, чтобы двигаться со скоростью волны, необходимо «ухватиться» за перемещение её формы. Источником энергии движения при этом должно быть гравитационное поле Земли, взаимодействие с которым и порождает волнообразование. Пример такого использования сил гравитации и движущейся формы волны широко известен: это сёрфингисты, глиссирующие на своих досках по склонам волн прибоя. Подобное глиссирование, скорее всего, предполагалось и для «волнохода», учитывая его описание и скорость движения.

Для глиссера или иного плавсредства с динамическим принципом поддержания, движущегося по переднему склону волны, источником тяги и, соответственно, движения является проекция силы тяжести, параллельная волновому склону, угол которого определяется отношением скорости кругового движения частиц воды в волне к скорости перемещения формы волны. Такой источник тяги обеспечивает перемещение вниз по склону, что вполне приемлемо для сёрфингистов. Однако «волноходу» необходимо перемещаться (и перемещаться длительно)  вместе с профилем волны в горизонтальном направлении.  Учитывая, что частицы воды при круговом движении в районе переднего волнового склона движутся вниз, для обеспечения горизонтального перемещения вектор тяги, образующийся при взаимодействии с волновым склоном, должен быть направлен вперед и вверх. Такой результат может быть получен только за счет сложения двух сил, определяемых полем гравитации: силы тяжести, направленной вертикально вниз, и архимедовой силы, направленной вверх перпендикулярно волновому склону, при этом величина архимедовой силы должна несколько превышать силу веса. То есть для получения требуемой для «волнохода» тяги он должен использовать не динамический, а гидростатический принцип удержания на воде. Для того чтобы уменьшить волновое сопротивление, неизбежно возникающее у водоизмещающего судна при движении с большими скоростями, а также учитывая необходимость создания разницы в величинах сил веса и плавучести, получаем, что «волноход» должен представлять собой подводное судно, заглубленное под поверхность воды на некоторую величину.

 Определившись с физическим принципом «волнохода», перейдем к количественным параметрам, в которых и кроются основные проблемы. Для того, чтобы «волноход» двигался со скоростью волны, необходимо, чтобы тяга, создаваемая силами гравитационного поля, уравновешивала гидродинамическое сопротивление движению. А для этого необходимо иметь соответствующую величину угла волнового склона. У ветровых волн, например, этот угол составляет 10…15 град. У прибойных волн этот угол ещё больше. А у искусственного цунами с длиной волны 17,8 км и высотой 5 м угол волнового склона составляет 0,05 град, что совершенно недостаточно для обеспечения какого-либо движения со скоростью 600 км/ч. Анализ показал, что для обеспечения движения крупного подводного судна, для которого применены самые современные средства снижения вязкостного сопротивления, требуемый эффективный угол волнового склона должен составлять не менее 1,0…1,5 град. То, что судно должно быть как можно крупнее, следует из зависимостей между размерами судна и уравновешиваемыми силами: гидродинамическое сопротивление пропорционально объемному водоизмещению в степени 2/3, а сила тяги – тому же водоизмещению в первой степени. Однако увлекаться размерами тоже не следует: чем больше отношение длины судна к длине волны, тем меньше средний эффективный угол волнового склона по сравнению с максимальной величиной, определённой в точке расположения центра тяжести судна. Кроме того, для снижения волнового сопротивления заглубление подводного судна под поверхность должно быть не менее половины его длины. С ростом заглубления длина волны сохраняется, а высота волны и, соответственно, угол волнового склона уменьшаются. Поэтому есть некоторый оптимум, например, когда длина судна составляет около 25% от длины волны. При этом наибольший угол волнового склона на поверхности воды должен быть примерно в 2,5 раза больше величины угла, требуемой для обеспечения движения. То есть 2,5…3,0 град. Чтобы обеспечить такой угол волнового склона, длина волны не должна превышать её высоту более чем в 60…70 раз. Поэтому сочетание высоты волны и её скорости не может быть произвольным. Ограничение на высоту создаваемой волны накладывает ограничения на все остальные параметры: длину волны, её период и скорость перемещения. Причём ограничения существуют не только сверху, но и снизу. Дело в том, что для устойчивости движения искусственной волны, её период должен превышать наибольший  период  ветрового волнения, который, например, для Тихоокеанского бассейна составляет 20 с. Поэтому период искусственной волны желательно иметь не менее 25…30 с, что приводит к соответствующему росту требуемой высоты волны (пропорциональной квадрату периода).

Расчетные оценки показывают, что при периоде искусственной волны 25 с возможен следующий вариант «волнохода»: скорость движения 39 м/с (75,8 узла); длина волны 975 м; высота волны около 14 м (соответствует почти предельной ветровой волне 9 баллов); объемное водоизмещение судна 250 000 м3; длина около 250 м; диаметр корпуса около 40 м. Для запуска «волнохода» необходимо специальное сооружение, которое не только создаст требуемую волну, но и разгонит судно до скорости волны. Мощность такой установки (по приближенной оценке) может составить  300…400 ГВт. При этом можно использовать энергию взрыва, однако продолжительность импульса, создающего волну, должна соответствовать четверти её периода (в данном случае – 6,25 с). То есть обычным взрывом или серией обычных взрывов не обойдёшься. Должна быть разработана специальная технология. Подводное судно должно быть оснащено движителями и средствами управления, обеспечивающими в автоматическом режиме удержание судна в равновесии с движением волны. Как это делает, например, дельфин, катающийся на носовой волне надводного судна. Для схода с волны судно следует просто затормозить с помощью движителей. Энергию волны, набегающей на берег, можно в определённой степени утилизировать.

Таким образом, ждать от «волнохода»  авиационных или хотя бы экранопланных скоростей не следует. Но технологическая ниша для него может быть найдена: трансокеанские перевозки. Если сравнить «волноход», имеющий скорость 75 уз и водоизмещение 250 тыс. тонн, с крупным надводным судном, имеющим скорость 15…17 уз и водоизмещение 500 тыс. тонн, то на дистанции 8000 км (через Тихий океан) за сравнимое время «волноход» сможет перевести груза в 2 раза больше при общих затратах  энергии в несколько раз меньше. Так что при всей необычности идеи экономический выигрыш она дать сможет.

Комментарии

Изображение пользователя blandux.

Re: Как ухватиться за волну

Да не дай Бог!!! Это же сколько рыбы будет погибать после одного только рейса такого чудовища! Делать подводные взрывы для создания цунами!!! Полнейший бред! Иногда какие-то подобные проекты кто-то с дуру берёт и внедряет, а последствия расхлёбывает потом, причём последствия иногда необратимые. Можно ли подобных изобретателей назвать умными людьми? Думаю скорее наоборот.

Re: Как ухватиться за волну

Владислав, попробуйте сначала думать, а потом уже писать. Или уже не писать. Человек провел анализ идеи, описанной в научно-фантастическом произведении. К чему эти всплески эмоций? Идите на ток шоу, если хочется руки позаламывать.

Изображение пользователя blandux.

Re: Как ухватиться за волну

Согласен, просто насмотрелся на испорченную такими изобретениями экологию и просто дрожь берёт, когда представишь ещё и этого цунами-монстра в действии.

Re: Как ухватиться за волну

blandux пишет:

Согласен, просто насмотрелся на испорченную такими изобретениями экологию и просто дрожь берёт, когда представишь ещё и этого цунами-монстра в действии.

Дело привычки. Не берет же нас дрожь от нескольких десятков миллионов тонн окислов, которые ежегодно улетают в воздух при плавке металла. И от прочих чудес...

А здесь и с рыбой можно поступить благородно, если от участка старта ее отпугивать (вернее всего это должен быть некий специально оборудованный канал, который не размоет от последствий таких взрывов). А в море всего лишь пологая волна, рыба и не заметит. Или заметит и удивится.

RSS-материал