Каковы же реальные перспективы увеличения скорости на ПВСПК? За счет чего, если учитывать ограниченные физические силы человека, можно получить прирост скорости этих аппаратов? Маловероятно, что большой прибавки можно достичь за счет усовершенствования погруженной части ПВСПК: профиля крыльев и стоек, уменьшения их смоченной поверхности. Пожалуй, здесь уже все доведено до оптимального предела1.
Меня, скорее путешественника, чем изобретателя и спортсмена, также захватила эта проблема. В конструкции надводной части ПВСПК, на мой взгляд, есть резерв повышения скорости — это усовершенствование педального привода. После длительного путешествия на велокатамаране собственной конструкции по Енисею в 1985 г. (см. «КиЯ» №138) я пришел к выводу, что значительная часть скорости катамарана теряется из-за пульсирующей передачи вращения на винт.
Пульсирующее вращение винта объясняется большим количеством мертвых точек в верхнем и нижнем положениях педалей. При езде на обычном велосипеде прохождение мертвых точек почти незаметно, потому что в приводной системе велосипеда имеется мощный маховик — заднее колесо, которое и сглаживает их при педалировании.
Разумеется, установка на ПВСПК такого маховика даже небольших размеров стала бы неблагодарной затеей. Это повлекло бы за собой изменение конструкции и увеличение веса аппарата, что в итоге ощутимо отразится и на физических силах человека Так пришла идея отказаться от ПВСПК традиционного типа и обратиться к другому средству передвижения по воде. Неожиданным толчком к этому решению стал обычный и всем знакомый еще с детства прыгающий по воде камешек (рис. 1). Сильно брошенный параллельно поверхности воды и вращающийся вокруг собственной вертикальной оси, он двигается вперед под определенным углом атаки и с небольшим дифферентом. Плоский камешек не только достаточно долго удерживается на поверхности воды, но еще удивительно долго прыгает. Как удачно в этом простом камешке совмещаются и маховик, и средство передвижения...
Принцип прыгающего камешка и положен в основу нового средства передвижения, которое по аналогии с вертолетом я назвал вертоплавом.
На раме устанавливаются четыре способных вращаться вокруг своей оси диска. Обладая необходимым запасом плавучести, они могут одновременно быть и маховиками, и несущими элементами вертоплава (рис. 2).
Что происходит при движении вертоплава? При кручении педалей объединенные в одну систему диски вращаются вместе с винтом. С его помощью вся система вращающихся дисков постепенно разгоняется и движется вперед; установленные под определенным углом атаки диски, вначале несколько погруженные, начинают постепенно подвсплывать и выходить на глиссирование. Сопротивление движению аппарата начинает уменьшаться, скорость вращения винта увеличивается, вертоплав разгоняется все быстрее. Не исключено, что при оптимальном подборе всех параметров диски в конце концов выйдут на активное глиссирование по поверхности воды.
Представлена только простейшая схема вертоплава; существует множество других вариантов: различные профили несущих дисков, углы их установки, направление вращения дисков. Кроме того, возможны различные соотношения скорости вращения винта и дисков, регулировки углов атаки и наклона дисков. Даже опытный конструктор наверняка не сможет сказать наперед, какое сочетание представленных вариантов оптимальное. Может быть, одно из этих удачных сочетаний и позволит развить вертоплаву скорость, мало уступающую скорости аппаратов с педальным приводом на суше и в воздухе.
Для проектируемого вертоплава я избрал варианты, на мой взгляд, самые подходящие для самодеятельной конструкции. Прошло почти два года, прежде чем я смог сказать: вот он, первый вертоплав! Какой он, перспективный или нет, — в любом случае я не сожалею о затраченных времени, средствах и силах, потому что я познал истинное наслаждение от творчества и целенаправленного труда.
В построенном вертоплаве много интересных технологичеческих и конструктивных решений, но об этом подробный разговор в будущем. А пока краткая характеристика вертоплава: габариты в плане 2X2 м; диаметр несущих дисков около 1 м; их масса порядка 3,5 кг; педальный привод от спортивного велосипеда, вращающий через редуктор одновременно два передних диска и гребной винт. Задние диски попарно связаны с передними облегченной ременной передачей. Гребной винт — двухлопастной диаметром 370 мм. Полный вес вертоплава — около 27 кг.
В январе этого года состоялся первый спуск вертоплава на воду 25-метрового закрытого бассейна. Были проверены центровка, осадка, работа педально-приводной системы под нагрузкой. Предварительные испытания показали, что вертоплав вполне жизнеспособный аппарат: 25-метровую водную дорожку в бассейне с места вертоплав прошел за 10—12 с, при этом потребовалось всего три оборота педалей. Это обнадеживает, если представить себе этот отрезок как разгонный и учесть, что при испытании рабочая поверхность дисков и самодельного винта еще не были доведены до нужной кондиции...
Итак, быть или не быть вертоплаву?
Первое испытание ответило на этот вопрос утвердительно, а окончательный ответ дадут испытания на большой воде.
Комментарий специалиста
Конструкции предлагаемого плавсредства (ПС) не откажешь в оригинальности ее способность плавать и передвигаться по поверхности воды (при достаточном водоизмещающем объеме дисков) не вызывает сомнений, что подтверждается и описанными автором «ходовыми испытаниями» ПС в бассейне. Нельзя не согласиться с автором и в том, что вращающиеся диски будут выполнять роль маховиков, стабилизирующих частоту вращения гребного винта. Однако все остальные положения (утверждения), к сожалению, не соответствуют действительности.
Так, описываемый автором режим движения прыгающего камешка, в теории корабля носит название рикошетирования — он возможен только при очень высокой относительной скорости (FrD>8÷10). При этом вращение вокруг вертикальной оси не играет роли с точки зрения более раннего выхода на этот режим Поэтому представляется, что в конструкции ПС вращение дисков будет только приводить к дополнительным потерям на трение, не улучшая гидродинамики.
При движении в режиме глиссирования удельное сопротивление тела зависит от относительной скорости и при числе Фруда по водоизмещению
(начало режима глиссирования) составляет для быстроходных катеров оптимальных обводов
(где D — масса ПС). Используя эти данные, оценим возможность обеспечения режима глиссирования предложенным ПС.
Примем, что масса ПС составляет 100 кг (27 кг сама конструкция плюс водитель) Тогда скорость, необходимая для выхода на глиссирование, будет
а сопротивление составит не менее R≈0,15·100·9,8≈0,15 кН.
Полагая, что гребной винт имеет КПД η0≈0,7, определим необходимую мощность привода
Известно, что даже хорошо тренированный спортсмен и то только в течение очень ограниченного времени может «развить- мощность порядка 1 кВт, для обычного человека при длительном режиме работы эта величина существенно снижается — до 0,2—0,3 кВт.
Предлагаемое ПС будет быстрее двигаться, если диски не вращать, а еще лучше будет, если его водоизмещающие корпуса сделать в виде двух удлиненных хорошо обтекаемых (судовых обводов) поплавков — но в этом случае мы придем к традиционному водному велосипеду.
Рассмотрим вопрос шире: какую форму рационально придать плавсредству, приводимому в движение мускульной силой человека?
Для ответа сопоставим удельные сопротивления различных типов судов (см. рисунок). Очевидно, что проблема выбора обводов фактически определяется только относительной скоростью, т. е. числом Фруда по водоизмещению FrD. В зависимости от того, в каком режиме будет плавать ПС, имеет смысл придать ему форму водоизмещающего судна (FrD<2,0) или поставить его на крылья (FrD>3). Сложнее обстоит дело в области 2<FrD<3— здесь все обводы имеют сопоставимые по сопротивлению характеристики, и начинает играть роль «отработка» формы; выбор удлинения корпуса, килеватости днища, размаха и профиля крыльев и т. п.
Чтобы определиться со скоростью, надо опять же конкретизировать задачу. Интерес представляют два основных варианта плавсредств: оптимальное для длительных прогулок (отдыха) на воде и предназначенное для достижения рекордных скоростей в кратковременном режиме.
Оценку мощности, которую способен развивать тренированный спортсмен в течение времени t, произведем по формуле
Приняв массу спортсмена равной Dc≈70 кг, получим для кратковременной нагрузки (t = 1 мин = 60 с) Ps≈0,81 кВт, для длительного режима (t = 1000 с) Ps≈0,32 кВт.
С другой стороны, мощность, необходимая для движения с заданной скоростью, равна
Принимая, как и ранее, массу ПС равной D=100 кг, а КПД винта η0=0,7, найдем
Для первого приближения можно положить ε = 0,1, что очень ориентировочно соответствует максимальному значению удельного сопротивления судов круглоскулых обводов и минимальному для глиссеров и СПК.
Другими словами, это расположенная где-то в районе центра зоны «конкуренции» (см. рисунок) точка, отвечающая границе рационального использования режимов плавания и динамического поддержания.
Тогда имеем Рs=140v, Вт. Для гоночного ПС получим
для прогулочного
Сверяя полученные данные с рисунком, приходим к выводу, что для отдыха самым подходящим будет ПС с водоизмещающим корпусом (или корпусами). При этом можно ожидать некоторого увеличения скорости по сравнению с найденной выше величиной v = 2,3 м/с, поскольку для оценки бралось явно завышенное для этих относительных скоростей значение удельного сопротивления ε = 0,1.
Для гоночного ПС рациональнее принять остроскулые обводы глиссера либо использовать подводные крылья. Чему отдать предпочтение, однозначно сказать трудно — в этой зоне скоростей (2,5<FrD<3,0) большую роль играет форма, отработка которой возможна только в процессе конкретного проектирования.
В «КиЯ» №130 приводятся данные о водном велосипеде на подводных крыльях "Flying Fish", на котором при разгоне с места на дистанции 2000 м спортсменом мирового класса была получена скорость v = 5 м/с, а на спринтерской дистанции 250 м при движении «с хода» скорость составила даже v = 6,5 м/с. Учитывая, что время гонки в первом случае t1 ≈ 400 с, а во втором t2 = 38,5 с, полученную выше оценку скорости (при t = 60 с) v = 5,8 м/с можно признать удовлетворительной.
Закономерен вопрос — существуют ли реальные возможности увеличения скорости «человекоприводного» плавсредства?
Полагаю, что для глиссирующих обводов и подводных крыльев достигнутая скорость v = 6,5 м/с близка к своему верхнему пределу.
Некоторое повышение этой скорости за счет увеличения КПД винта и доводки крыльевой системы вряд ли даст существенный эффект. Дело в том, что мощность растет приблизительно пропорционально кубу скорости, следовательно, для увеличения последней в 1,5 раза потребуется повысить мощность двигателя-спортсмена более чем втрое — откуда взять такие резервы?
Представляется, что авторы упоминавшейся выше статьи «20 узлов без паруса и мотора» слишком уж большие оптимисты — ведь эта скорость превышает максимальную, ими же достигнутую на "Flying Fish", именно в 1,5 раза.
Примечания
1. См. «КиЯ» №130. Аппарат А. Брукса и А. Аббота «Летучая рыба-II».