Купленная в ГУМе игрушка — небольшая модель катера на подводных крыльях зажужжала, чуть ли не с места вышла на крылья и резво побежала вперед. Ничего необычного в этом, может, и не было бы, если бы не то обстоятельство, что гребной винт на суденышке отсутствовал. Что же заставляло его двигаться?
Началось это почти пол века назад. 22 марта 1939 г. авиационный инженер Александр Иванович Болдырев получил авторское свидетельство № 54789 на «летательный аппарат с колеблющимися предкрылками». Суть его изобретения такова.
Машущие движители занимали научную мысль давно — человеку очень хотелось скопировать природу и создать летательный аппарат с крыльями, как у птиц или насекомых. Попытки такие были — мы не будем на них останавливаться, так как авиация — не тема для «КиЯ», однако успехом ни одна из них не увенчалась. Тем не менее, многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в принципе крыло, которое совершает вынужденные угловые колебания вокруг своего носка, может работать как движитель. Однако эффективность такого движителя невысока — его КПД даже теоретически не может быть более 0,5. Объясняется это тем, что при колебании на крыле возникает непрерывная вихревая пелена, которая свертывается в свободные вихри, уносимые потоком. И вот, грубо говоря, на «бесцельное» закручивание потока и уходит примерно половина подводимой к движителю мощности.
А можно ли использовать энергию, которая теряется в вихревом следе? Оказывается, да. Для этого нужно за колеблющимся крылом поместить еще одно, но уже неподвижное. Тогда образуемые колеблющимся крылом (его еще можно назвать «предкрылком») вихри уже будут не свободными, а присоединенными и станут обтекать неподвижное крыло по замкнутому контуру, т. е. циркулировать вокруг него. При движении предкрылка вверх этот дополнительный присоединенный вихрь взаимодействует с набегающим потоком таким образом, что у носка неподвижного крыла возникает подсасывающая сила. Когда же предкрылок движется вниз, подсасывающая сила возникает уже на вращающемся носке самого предкрылка, опять-таки благодаря взаимодействию присоединенного вихря с набегающим потоком.
Возникает подсасывающая сила следующим образом: сложное колебательное движение предкрылка можно разложить на две составляющие — поступательную и вращательную. Тогда, согласно теореме Жуковского, взаимодействие циркуляции среды, вызванной вращательным движением, и поступательного движения среды образует подсасывающую силу, которую можно иначе назвать сопротивлением, но с обратным знаком. Возникает эта сила попеременно у носка то крыла, то предкрылка.
Такая гидродинамическая система может иметь теоретический КПД, близкий к единице. Целесообразнее, однако, поступить иначе: если пожертвовать относительно небольшой частью энергии струи (до 25%) от предкрылка на создание дополнительной циркуляции скорости вокруг крыла, то гидродинамическое качество обдуваемого крыла, т. е. отношение его подъемной силы к силе сопротивления, увеличится. Это нетрудно сделать, расположив предкрылок таким образом, чтобы создаваемая им струя обдувала в основном верхнюю поверхность неподвижного крыла. При такой схеме коэффициент подъемной силы весьма велик, что особенно ценно при небольших скоростях поступательного движения — в данном случае при выходе СПК на крылья.
Увеличение подъемной силы объясняется вот как: среда циркулирует вокруг предкрылка, при этом ее вращение уравновешивается возникающей дополнительной циркуляцией, направленной в противоположную сторону. Эти две циркуляции можно представить в виде двух вращающихся шестерен, находящихся в зацеплении. Так вот, вращение «второй шестерни» и вызывает дополнительную подъемную силу, практически не зависящую от скорости поступательного движения.
Вот это и есть суть изобретения А. И. Болдырева. Самое обидное, что, несмотря на многие трудности, изобретение это было не только признано, но и почти внедрено, а уже потом забыто. История попытки внедрения такова.
В 1946 году был построен опытный образец легкого самолета — самолета «Болдырев». Он хорошо прошел стендовые испытания, однако в воздух так и не поднялся по причине, о которой и говорить-то стыдно — не удалось изготовить надежные конические шестерни для передачи. Подробнее об этом самолете рассказано в книге В. Б. Шаврова «История конструкций самолетов в СССР 1938—1950 гг.», выпущенной в издательстве «Машиностроение» в 1978 г.
Но как же с обещанным в заглавии СПК? А вот как. С появлением судов на подводных крыльях изобретатель подумал, что, в принципе, ничто не мешает поставить придуманный им движитель на судно — ведь теперь крылья как несущее устройство есть не только у самолета. И вот в 1965 г. куплена упомянутая в начале статьи детская игрушка. Александр Иванович снял с нее гребной винт, сделал из консервной банки два весьма аккуратных предкрылка и укрепил их перед крыльями. Затем из проволоки изготовил два кривошипа, соединил ими предкрылки с гребным валом — и судно готово. Специально для испытания модельки склеил из оргстекла небольшой бассейн. Мысль оказалась верной — судно вышло на крылья и уверенно побежало вперед. Цветное фото игрушки на ходу напечатал журнал «Изобретатель и рационализатор» (№ 1, 1984)...
На этом история изобретения А. И. Болдырева, увы, и кончается. Правда, авиамоделисты делали самолеты по его схеме, и самолеты эти летали, но, к сожалению, это были только модели. Что же касается судов с движителем Болдырева, то их нет. А. И. Болдырев сделал модель подводного крыла с колеблющимся предкрылком, который получал движение от авиационного электродвигателя, и испытал его. Результаты он получил вполне обнадеживающие, но дальше дело не пошло.
Понятно, что одно дело модель или просто игрушка, другое — настоящее судно на подводных крыльях, пусть даже небольшое. Понятно, что нужно выяснить, как повлияет масштаб на работу и конструктивные возможности реализации этого изобретения в натурных условиях. Но чтобы выяснить это да и некоторые другие технические вопросы, надо пробовать. А пробовать, судя по всему, стоит, ведь основные преимущества движителя заметны с первого взгляда: судно практически сразу выходит на крылья, в движителе нет вращающихся частей, что делает его более надежным при плавании по заросшим водоемам. Наверное, есть у движителя и другие положительные черты, главное — попробовать!