Хорошо забытое старое
Принято считать, что гребные колеса появились на судах практически одновременно с паровой машиной. Действительно, пароходы, особенно речные, довольно долгое время имели колесные движители. Достаточно вспомнить очерки М. Твена «Жизнь на Миссисипи» или нашу неувядаемую кинокомедию «Волга-Волга». Однако принцип использования гребных колес для движения судов был известен очень давно.
III век до н. э. У римских сенаторов разгорелся аппетит на Сицилию. Но остров отделен от материка узким и довольно бурным Мессинским проливом, а римляне — народ сугубо сухопутный. Как быть? Как переправить легионеров на остров? И вот консул Аппий Клавдий находит выход: он приказывает валить деревья и вязать их в плоты, которые снабжает лопастными колесами. В центре каждого плота устанавливают ворот, соединенный передачей с колесами и приводимый в движение парой волов. Кончилась эта затея весьма плачевно. Никаких управляющих устройств у плотов не было и в проливе их разнесло в разные стороны. Причем, множество воинов утонуло, а Клавдий чуть позже получил прозвище «Каудекс» — бревно. Надо сказать, что изобретателем гребного колеса он не был. На барельефе, датируемом еще VI веком до н. э., изображено судно с тремя парами гребных колес, которые приводятся в движение волами.
Следующие упоминания о гребных колесах относятся уже к нашей эре. Как свидетельствуют письменные источники, в 1161 г. в Китае была построена джонка для плавания по реке, снабженная гребными колесами, работавшими от ветряка.
XVI—XVII век, Европа. И здесь нет-нет да и вспомнят о гребном колесе. В Италии гениальный Леонардо да Винчи в минуту раздумий набрасывает эскиз судна с турбиной (!) и гребными колесами. В Испании некий хитроумный моряк Бласко де Гарей предложил королю Карлу V построить судно, которое могло бы ходить против ветра без парусов и весел. Монарх не поверил, однако ради любопытства приказал такое судно построить. Через некоторое время моряк объявил, что 200-тонный «Тринидад» готов. Карл V решил посмотреть, что вышло из этой затеи и увидел странное судно с огромным котлом и гребными колесами. Чтобы избежать подозрения в сношениях с дьяволом — инквизиторы шутить не любили — Гарей наполнил котел «святой водой» из ближайшего монастыря. Вскоре из трубы повалил густой дым, заработали какие-то таинственные механизмы, завертелись колеса... и «Тринидад» пошел. Изобретателя щедро наградили, но он после первых испытаний разобрал механическую часть судна и спрятал ее где-то на берегу: слишком уж большой страх вызвала машина у местного населения. Секрета своего он так и не раскрыл. А в 1858 г. были найдены письма изобретателя, в которых он рассказывает о своей затее и сообщает, что колеса крутили 25 человек, спрятанных внутри судна. Существуют и другие письменные свидетельства о гребных колесах, однако достойного применения им еще найти не могли: не было двигателя, который мог бы их вращать.
Достойный союзник
Наступил XVIII век, и гребному колесу нашелся наконец достойный союзник — паровая машина. В 1707 г. в Германии с набережных реки Фульды любопытные с удивлением смотрели на необычное судно, двигавшееся по воде без привычных весел и парусов. Это был первый в мире пароход, построенный французским ученым Дени Папеном. Он приводился в движение гребными колесами. Испытания закончились неудачей: котел взорвался, погибло несколько человек. Но главное в другом: начало было положено.
В 1 736 г. англичанин Джонатан Халлз построил судно с пароатмосферной машиной и гребными колесами. Опыт оказался удачным, было построено несколько таких судов, применявшихся для буксировки барж, однако вскоре от них отказались из-за недостатков в конструкции пароатмосферной машины.
В 17ВЗ г. француз К. Ж. д'Аббан на своем колесном пароходе «Пироскаф» прошел около 400 м по реке Соне близ Лиона. И здесь сказалась неудачная конструкция пароатмосферной машины. По-настоящему гребное колесо начало «работать» после появления паровой машины Джеймса Уатта, которая быстро завоевала Англию, а затем и весь мир.
XIX век. Появились первые «настоящие» пароходы, конечно, с гребными колесами, которые стали быстро совершенствоваться. На буксирном катере Уильяма Саймингтона «Шарлотта Дан-дас» колесо было одно и расположено уже по-новому — в корме. Роберт Фултон, создатель первого коммерчески эксплуатировавшегося парохода «Клермонт» (на самом деле он назывался «Норс ривер стимбоут»), попробовал, правда, сделать судно с плицами гусеничного устройства, расположенными побортно, но вскоре от этой идеи отказался. «Клермонт» уже имел два настоящих гребных колеса диаметром 4,7 м с восемью лопастями шириной по 1,2 м. Под руководством Фултона в Америке было построено несколько пароходов. Скорость их не превышала 7 уз, что объясняется, с одной стороны, сравнительно небольшой мощностью паровых машин, а с другой — не особенно удачной формой корпуса. Любопытно последнее детище Фултона — первый в истории пароходофрегат «Демологос», построенный в 1815 г. Интересен он тем, что это был катамаран, в промежутке между корпусами которого помещалось гребное колесо, защищенное таким образом от боевых и навигационных повреждений. Кроме того, корабль содержал еще одну новинку: возможность реверсирования гребного колеса с помощью специальной муфты, изобретенной также Фултоном. На ходовых испытаниях, до которых Фултон не дожил, «Демологос» развил скорость 5 уз.
А что же Россия? Как обстояли дела с колесными пароходами у нас в стране? Как это ни странно, но и здесь нужно упомянуть того же Роберта Фултона. В 1813 г. он обратился к русскому правительству с просьбой предоставить ему привилегию на постройку изобретенного им парохода и употребление его на реках Российской империи. Такая привилегия была ему выдана сроком на 3 года, однако Фултон ею так и не воспользовался. А тем временем, в 1815 г. в Петербурге владелец механико-литейного завода Карл Берд построил первый русский пароход, представлявший собою обычную деревянную тихвинку (парусное судно с ложкообразным носом и санной кормой), на которую была установлена паровая машина Уатта мощностью 4 л. с., приводившая в действие бортовые колеса. 3 ноября пароход совершил первый рейс от Петербурга до Кронштадта, показав среднюю скорость 9,3 км/ч. Путешествие это было описано в газете «Сын Отечества» морским офицером, будущим адмиралом Рикордом, который, кстати, впервые применил в печати термин «пароход» (до этого пароходы называли на английский манер «стимботами»). Так колесные пароходы появились в России и просуществовали на русских реках до наших дней.
Многократное изобретение колеса
Как только гребное колесо прочно заняло место на судне, тут же начался естественный процесс его совершенствования. Корабелов беспокоило прежде всего то, что неподвижно закрепленные на спицах лопасти входили в воду с ударом, а выходили из нее, «выгребая» воду. Это значительно снижало их эффективность, влекло за собой вибрацию и повышенный шум. Вначале с этим недостатком боролись, увеличивая диаметр колес, что смягчало удары лопастей о воду. Увеличение диаметра колес протекало достаточно интенсивно, особенно на морских пароходах: диаметр их довольно быстро достиг 10 м. На знаменитом творении И. К. Брунеля «Грейт Истерн» два гребных колеса имели просто невероятные размеры: их диаметр составлял 17,7 м, а каждая из 30 лопастей имела 3,9 м в ширину.
Но увеличивать диаметр колес до бесконечности было нельзя. Требовалась принципиально новая идея, и она была найдена. Английскому инженеру Роберту Бьюкенену пришла в голову мысль сделать плицы поворотными, чтобы они входили в воду и выходили из нее перпендикулярно. В 1811 г. он запатентовал такое колесо. Идея была верна, но конструкция оказалась неудачной. После этого появилось большое количество подобных изобретений, однако все они обладали теми или иными недостатками, главным из которых была большая сложность конструкций. Только в 1829 г. Элайе Гэллоуэю удалось запатентовать гребное колесо, которое было лишено основных недостатков предшественников. Поворот лопастей в этом колесе обеспечивался с помощью шарнирного эксцентрикового механизма, приводимого в действие от самого колеса. Конструкция эта оказалась настолько удачной, что просуществовала с небольшими изменениями до наших дней.
Сказанное отнюдь не означает, что с изобретением поворотных лопастей работы над совершенствованием гребного колеса прекратились. Они продолжались, причем, в самых различных направлениях. Некоторые исследователи, например, большое внимание уделяли выбору оптимальной формы плиц. Проводились многочисленные эксперименты как на моделях, так и на натурных судах. В результате выяснилось, что наилучшими являются прямоугольные плоские или слегка изогнутые плицы. О результатах этих работ красноречиво свидетельствует тот факт, что с середины XIX по начало XX века КПД гребных колес повысился с 0,30—0,35 до 0,7—0,75, то есть в два раза. Казалось, этот тип судового движителя пришел надолго.
Рождение винта
Если на реках колесные пароходы заняли свое место достаточно прочно и надолго, то на морях и океанах дело обстояло сложнее. В условиях морского волнения им приходилось туго. Во время бортовой качки лопасти колес частично или полностью выходили из воды, а затем снова зарывались в волны, что вызывало неравномерность в работе машины, а нередко даже ее поломку или выход из строя самих колес. Бывало, колеса и ломались под ударами волн. Попеременное оголение колес значительно снижало скорость, мешало удерживать корабль на курсе. Гребные колеса, устанавливаемые на военных кораблях, представляли для неприятеля хорошую мишень. В попытке защитить от повреждений их иногда располагали в корме. Одна ко и такая конструкция была далека от совершенства. Дело в том, что, вращаясь, колесо создавало за кормой вихри и зону пониженного давления воды. В результате колесо толкало судно вперед, а его как бы «затягивало» назад — из зоны повышенного давления перед носовой частью в зону пониженного давления за кормой.
И тут на сцене появился гребной винт. Первые, довольно робкие попытки применить новый движитель имели место еще в XVIII веке, однако настоящие винтовые пароходы появились лишь в 40-х годах прошлого века. Интересно отметить, что один из первых запатентованных гребных винтов конструкции шведа Иона Эриксона основывался на принципе... гребного колеса. Разница была одна, но принципиальная: его ось вращения располагалась не поперек судна, а вдоль.
В 1836 г. появился первый винтовой пароход «Архимед», движитель которого было решено сравнить по эффективности с гребным колесом. «Архимед» соединили тросами, корма к корме, с колесным пароходом «Уильям Гунстон». Машины дали ход, и «Уильям Гунстон» потащил за собой первенца винтового судостроения. Но спешить с выводами было еще рано. Сторонники гребного винта — а их нашлось немало — не желали признавать результаты сравнения, ссылаясь на то, что водоизмещение сравниваемых судов, их обводы и мощность машин были разными. Окончательно, однако, точки над «и» были поставлены, когда английское Адмиралтейство организовало сравнительные испытания двух специально построенных в 1843 г. одинаковых пароходофрегатов водоизмещением 894 т с паровой машиной мощностью 200 л. с. — винтового «Раттлера» и колесного «Алекто».
Сначала оба корабля были испытаны под парусами и показали практически одинаковую скорость, что служило подтверждением их геометрического подобия. Затем фрегаты подверглись испытанию перетягиванием. После того как машины развили полную мощность, «Раттлер» начал буксировать «Алекто» со скоростью более 2 уз. Этим испытания не ограничивались. Корабли сравнили на различных режимах, и скептики были посрамлены: по всем статьям победил «Раттлер».
Если на военных кораблях гребной винт получил признание сравнительно быстро, то в коммерческом флоте его распространение задержалось. Колесные пароходы зачастую не уступали в скорости винтовым, а построенная в Англии в 1866 г. по заказу турецкого султана Абдулы-Азиса яхта «Макарусса» водоизмещением 3185 т с паровой машиной мощностью 6400 л. с. и бортовыми колесами диаметром 8,5 м на тот период являлась самым быстроходным паровым судном и развивала на полном ходу 18,5 уз. На трансатлантических линиях вплоть до 1875 г. все еще плавали колесные пароходы. Последним из них была «Скотия» — обладательница «Голубой ленты Атлантики» в 1В62—1867 гг.
На внутренних водных путях дело обстояло иначе. Для плоскодонных речных судов с малой осадкой гребные колеса были практически идеальным движителем.
Достоинство гребных колес заключается в том, что на речных судах, имеющих сравнительно небольшую осадку, колесный движитель может иметь большее гидравлическое сечение (площадь отбрасываемой движителем воды) нежели винтовой, а, следовательно, может создавать больший упор.
Особое распространение речные колесные пароходы получили в Америке и у нас в стране. В дореволюционной России на подавляющем большинстве речных судов были колесные движители, а гребные винты использовались лишь эпизодически, по инициативе отдельных предпринимателей.
После Октябрьской революции колесные пароходы не только не сошли со сцены, но и продолжали совершенствоваться. В 20-е — 30-е годы были найдены решения для обоснованного выбора размеров колес и параметров поворотного механизма в зависимости от назначения судна. Вместо плоских деревянных плиц стали применяться металлические изогнутые лопасти, кривизна которых устанавливалась в соответствии с эпюрой скоростей на всем протяжении их входа в воду. На концевых кромках лопастей устанавливались гребни, подобные гребням на крыльях самолетов. Совершенствовалась также конструкция колес с применением расчетов отдельных элементов методами строительной механики.
И тем не менее гребным колесам пришлось уступить. Связано это прежде всего с появлением на речных судах двигателей внутреннего сгорания. В сознании речников паровая машина ассоциировалась с гребными колесами, поэтому отказ от пароходов был молчаливо признан, как и отказ от их движителей — гребных колес. Однако есть и другая, более объективная причина отказа от колесных движителей. Она связана с низкой частотой их вращения, а следовательно, с большими габаритами, значительной массой и высокой строительной стоимостью. По этим показателям колесные движители существенно уступают винтовым. Так, для буксира мощностью 900 кВт масса гребных колес составляет 55 т, а масса пары гребных винтов — 2 т. Комментарии, как говорится, излишни.
Возвращение гребных колес
Казалось бы, возврата нет: гребные колеса канули в лету. В 1969 г. известный американский специалист по гидродинамике и движителям Роберт Таггерт писал: «Хотя гребное колесо станет вскоре курьезным экспонатом морских музеев, оно свое дело сделало и сделало хорошо, причем именно тогда, когда в нем ощущалась наиболее настоятельная потребность. Гребное колесо по праву заняло почетное место в анналах истории». Сказано очень трогательно, но не очень верно. Насчет анналов Таггерт явно погорячился. Отказ от применения на речных судах колесных движителей в целом, без учета условий эксплуатации, явно не оправдан. Высокие гидродинамические качества колес при ограниченных глубинах сбрасывать со счетов ни в коем случае нельзя. Винтовые буксиры на малых реках часто не могут проводить баржи из-за высоких скоростей течения и присасывания к грунту. Появление же редукторов с большими передаточными числами позволило совместить гребные колеса и быстроходные дизельные двигатели. Благодаря этому в 70-х годах у нас в стране созданы и успешно эксплуатируются на сибирских реках колесные буксиры с двумя такими агрегатами, расположенными поперек судна. Но на этом наши ученые и конструкторы не остановились. Сравнительно недавно в ЦТКБ Минречфлота разработан проект перспективного буксира-толкача с четырьмя колесами, расположенными по схеме «тандем» — по два с каждого борта. Благодаря такой компоновке осадка толкача уменьшена на 15—20%. Привод колес может быть механическим или гидравлическим. В случае использования гидропередачи появляется возможность плавно менять частоту вращения колес и избавить тем самым энергетическую установку от перегрузок.
Для малых рек с глубинами не менее 0,5 м Новосибирский филиал ЦТКБ предложил толкач с кормовым гребным колесом упрощенной конструкции со специально профилированными неподвижными плицами.
Вообще в период с 1926 по 1975 г. сделано около 40 изобретений, направленных на совершенствование гребных колес и колесных судов. К сожалению, большая часть этих изобретений на практике применения не нашла, однако некоторые из них проходят в настоящее время испытания. Так, изобретатель Ф. И. Михайлов предложил высокооборотные гребные колеса с малым числом плиц (2—4) и рычажно-шарнирным или шатунно-кулачковым поворотными механизмами. Испытания показали, что колесо с шатунно-кулачковым механизмом обладает той же эффективностью, что и обычное, но его диаметр меньше на 14%, а частота вращения больше на 24—50%. Такие колеса могут с успехом применяться на буксирах и составных теплоходах.
Колесо с рычажно-шарнирным механизмом обладает довольно высокой эффективностью при скоростях судна более 12 км/ч, его частота вращения больше примерно на 50%, а диаметр меньше на 23%. Его целесообразно использовать на грузовых и пассажирских теплоходах.
Конечно, современный колесный буксир не свободен от недостатков. К основным из них можно отнести большую габаритную ширину, значительную массу выносных конструкций, уязвимость плиц и низкую поворотливость из-за расположения рулей в попутном потоке за корпусом. Кроме того, при выходе из строя одного колеса судно двигаться не может. В 1980 г. специалисты Новосибирского института водного транспорта разработали проект мелкосидящего толкача с колесами «тандем», размещенными в клиренсе катамарана. Новая схема устраняет большинство этих недостатков и ослабляет некоторые другие. Согласно расчетам и модельным испытаниям такой буксир при тех же упоре и мощности, что и у обычного, будет иметь габаритную ширину на 23% ниже, а при одинаковой габаритной ширине его тяга будет больше примерно на 70%.
ЦТКБ Минречфлота РСФСР сделало проектную проработку перспективного колесного буксира — толкача для малых рек. Архитектурно-конструктивный тип судна отличается от традиционного: буксир имеет один корпус и четыре колеса, расположенные по схеме «тандем» — по два с каждого борта, одно за другим. Такое решение позволяет значительно уменьшить размеры каждого колеса и снизить осадку по сравнению с традиционной двухколесной схемой на 15—20%, благодаря тому, что «тандем» способен развивать при том же КПД существенно больший упор, т. е. эффективно использовать большую мощность. Еще одна особенность предлагаемого проекта — это применение гидропередачи, благодаря чему появляется возможность плавного изменения частоты вращения колес и работы энергетической установки без перегрузок с максимальной тягой на любой глубине фарватера. Управляемость судна обеспечивается за счет расположения рулевого устройства непосредственно в потоке за колесами. Кроме того, в проработке использована еще одна новинка — волновыпрямители, установленные за передними колесами. Применение этого устройства также позволяет повысить общий КПД движительного комплекса.
Вспомнили о гребных колесах и создатели малых судов. В конце 60-х — начале 70-х гг. американские исследователи занимались вопросами повышения проходимости и работоспособности движителей различных типов, эксплуатируемых в заросших, заболоченных водоемах. Испытывались различные движители, в том числе и гребные колеса: на катере длиной 5,7 м и шириной 2,1 м установили два восьмилопастных бортовых колеса диаметром 900 мм с плицами размером 130X200 мм. Колеса приводились во вращение (133 об/мин) от двигателя мощностью 60 л. с. через автомобильный дифференциал, который одновременно служил и для поворота катера путем отключения от ведущего вала одного из колес. На заболоченной реке катер развивал неплохую скорость, особенно в зарослях тростника, хотя довольно часто приходилось очищать лопасти и ступицы колес от длинных водорослей. На чистой воде катер показал скорость 24 км/час, однако его радиус циркуляции был велик. Вызвали практические замечания большие габариты и массы колес.
Не будем торопиться. Будущее покажет, насколько удачны предложения ученых и проектировщиков. Пока же ясно одно: сдавать гребные колеса в музей, пожалуй, рановато. Они еще потрудятся!
«Королева Миссисипи»
А вот еще одно подтверждение того, что колесные суда не совсем сошли со сцены: в 1987 г. одна голландская верфь построила для США речное пассажирское судно с гордым именем «Миссисипи Куин» («Королева Миссисипи»).
Вот его некоторые данные: длина — 62 м, ширина — 11,4 м, осадка — 1,65 м, пассажировместимость на коротких рейсах — до 1000 чел. Энергетическая установка, приводящая в движение кормовое колесо, состоит из двух дизелей мощностью по 375 кВт. Кроме собственно гребного колеса да полубутафорских дымовых труб, на судне все сделано по последнему слову техники: так, например, оно снабжено носовым подруливающим устройством с двигателем мощностью 147 кВт.