Слижевский Гидробионика в судостроении

2ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ÓÄÊ 007:573.6: 629.5 ÁÁÊ 28.0:39.42

Ñ-47

Рекомендовано Министерством образования и науки Украины в качестве учебного пособия, письмо ¹ 14/18.2 – 424 от 27.02.02

Рецензенты:

В.С.Блинцов, доктор технических наук, профессор; Л.М.Дыхта, доктор технических наук, профессор; В.П.Шостак, доктор технических наук, профессор

Слижевский Н.Б.

С-47 Гидробионика в судостроении: Учеб. пособие. – Николаев: УГМТУ, 2002. – 112 ñ.

ISBN 5-87848-074-3

Изложены основы гидробионики – науки о принципах устройства, структуры и функций локомации гидробионтов, главным образом крупных и быстроплавающих, с целью совершенствования пропульсивных и маневренных качеств технических средств движения в воде, а также создания принципиально новых систем.

В Украинском государственном морском техническом университете курс "Основы гидробионики" читается с 1990 г. и включен в учебные планы специальностей "Корабли и океанотехника", а с 2000 г. – "Приборы точной механики".

Настоящее учебное пособие с учетом опыта чтения этого курса в УГМТУ и накопленных дополнительных сведений, опубликованных в отечественных и зарубежных научно-технических сборниках и монографиях, представляет собой дополненное и существенным образом переработанное аналогичное издание, подготовленное проф. Н.Б.Слижевским и вышедшее в УГМТУ в 1992 г.

Предназначено в качестве учебного пособия для студентов кораблестроительных вузов, инженеров и научных работников в области судостроения и водного транспорта.

Природа сконструировала дельфина много совершенней и лучше, чем человек подводную лодку или торпеду.

Джеймс Грей

ВВЕДЕНИЕ

1. Бионика и ее содержание

Термин "бионика" происходит от греческого слова "бион" – элемент или ячейка жизни. Принято считать, что бионика оформилась как научное направление и получила свое первое определение на национальном симпозиуме по бионике в США в сентябре 1960 г. в следующем виде: "Бионика – искусство применять знание биологи- ческих процессов и методов к решению инженерных задач".

На этом симпозиуме была принята официальная эмблема бионики: скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла. Скальпель – это символ биологии и медицины, паяльник – техники, а интеграл – символ математики и знак объединения трех наук. Биолог устанавливает качественные закономерности функционирования живых организмов, математик обобщает их аналитически, инженер строит физическую модель для последующего ее использования в технике. Зарождение бионики следует рассматривать как закономерный результат действия объективного закона развития науки и тенденции к интеграции знаний.

На этом симпозиуме, кроме того, был принят девиз "Живые организмы – ключ к новой технике". Это объясняется тем, что биологи-

4ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ческие системы отличаются высокими показателями, поэтому человек всегда пытался многие орудия производства сделать похожими по принципу действия на органы животных.

Так, например, слепушонок*), являющийся биологическим аналогом для различного рода землеройных машин, имеет высокую (на порядок выше) удельную производительность в тоннах в час, отнесенную к массе бионта в тоннах. Для землеройных машин она составляет 2…5 1/ч, в то время как для слепушонка она равна 50…100. Сравнительный анализ гидроаэродинамических характеристик (удельная, отнесенная к массе бионта, мощность и относительная, отнесенная к длине бионта, скорость) биологических и технических систем движения в воде и воздухе указывает на то, что биологиче- ские системы обладают более совершенными показателями.

Так, для дельфинов удельная мощность составляет 0,81 кВт с/т при относительной скорости 2…8 с–1, а для подводных лодок она равна 22 кВт с/т при относительной скорости 0,06…0,20 с–1. Для насекомых и птиц эти показатели равны соответственно 15,8 кВт с/т и 60…170 с–1, в то время как для реактивных самолетов они составляют 81 кВт с/т и 4…9 с–1.

Гидродинамическое совершенство биологических систем всегда привлекало внимание многих исследователей. В этой связи удивляет интуиция Леонардо да Винчи**), О.Лилиенталя, Н.Е.Жуковского и др., которые пристально изучали полет птиц с целью создания летательных аппаратов тяжелее воздуха. Справедливо также высказывание английского исследователя Д.Грея о том, что природа сконструировала дельфина намного лучше, чем человек подводную лодку или торпеду.

Однако, как заметил в свое время Н.Е.Жуковский, не следует копировать (да это и невозможно!) бионты, которые создавались и совершенствовались природой в течение многих миллионов лет. Необходимо творчески постигать основные механизмы и законы оптимальных решений природы и использовать их для совершен-

*) Слепушонок род грызунов семейства полевок, длиной до 13 см, хвост короткий, резцы выделяются из ротовой полости и направлены вперед и поэтому хорошо приспособлены для рытья.

**) Леонардо да Винчи создал летательный аппарат, использовав в качестве биологического аналога летучую мышь. Однако крылья, которые были аналогом крыльев летучей мыши, не смогли поднять человека. Причиной этому явилась малая удельная мощность человека.

6ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

дан краткий обзор результатов изучения разговорных и звуколокационных способностей морских животных.

Гидробионика как самостоятельное научное направление оформилась в начале 70-х годов ХХ столетия. Применение каплевидной формы корпуса подводных лодок и аппаратов, специальных эластичных покрытий, введение полимеров в пограничный слой, а также водометных движителей и движителей типа "машущее крыло" и других базируется на использовании особенностей строения тела гидробионтов и принципов их движения. Упомянутое подчеркивает непосредственную связь гидробионики и гидродинамики средств движения в воде. Более того, в теоретической гидромеханике в связи с этим возникло новое направление – биогидродинамика, занимающееся аналитическим и экспериментальным исследованием нестационарного плавания гидробионтов. Кроме того, гидробионика как комплексное научное направление оказывает влияние на биологию, поскольку участие биологов в гидробионических исследованиях приобщает их к количественной оценке тех или иных качеств гидробионтов, широкому использованию контрольно-измерительной аппаратуры, применению математического аппарата и теории моделирования.

3.Методы гидробионики

Âгидробионике используются теоретический и экспериментальный методы. Теоретический метод базируется на современных достижениях математики и теоретической гидромеханики (нестационарное движение твердых тел и тел с деформируемой поверхностью в идеальной и вязкой жидкости, теория пограничного слоя, теория крыла, численные методы и др.). На их базе в гидробионике разработаны основы гидродинамической теории плавания скоростных рыб, китообразных и кальмаров, а также создана теория погранич- ного слоя и вязкостного сопротивления гидробионтов. Все это составляет содержание биогидродинамики одного из разделов гидробионики. Основополагающий вклад в развитие теоретических методов гидробионики внесла группа ученых института гидромеханики АН Украины, возглавляемая профессором Л.Ф.Козловым.

Экспериментальные исследования, необходимые как для понимания механизма плавания, так и для получения исходных количе-

ственных данных для расчета гидродинамических характеристик гидробионтов с целью разработки теории их движения и последующего моделирования, включают в себя прямые и обратные методы. В обоих случаях гидробионт должен находиться в условиях, максимально близких к естественным, и адаптироваться к этим условиям. Необходимо при этом обеспечить адекватные природным следующие факторы среды: пресную или морскую воду, содержание в них солей и растворенного воздуха, соответствующую температуру воды, а также достаточный объем рабочей среды, начальную турбулентность, надлежащее освещение и др.

К прямым методам относятся натурные исследования в условиях моря или бухты с использованием сетевых заграждений, а также полунатурные эксперименты в специально оборудованных океанариумах, бассейнах и аквариумах. В этих условиях гидробионты могут плавать в свойственных им режимах. Исследователи проводят визуальные наблюдения, надводную и подводную киносъемку, изу- чают регулярное нестационарное плавание и кратковременные переходные процессы с применением телеметрической аппаратуры. Достоинство – естественное плавание, а недостаток – отсутствует направленный характер эксперимента, поскольку исследователь практически лишен возможности управлять объектом эксперимента. Этот недостаток частично можно устранить предварительной тренировкой водных животных. Так, например, для дрессировки животного на скорость плавания предусматривается дополнительная тележка с приманкой, перемещающаяся по монорельсу, который выставлен над уровнем свободной поверхности в специальном канале. Известны также большие достижения в дрессировке дельфинов для выполнения ими обусловленных тренерами действий с применением поощрительной приманки. К тому же дрессировка осуществляется в морских искусственных океанариумах за относительно короткий срок.

Классическим примером изучения плавания дельфинов непосредственно в море являются подводные киносъемки группы исследователей под руководством Жака Ива Кусто. Киносъемки осуществлялись из подводной наблюдательной камеры, снабженной иллюминаторами и расположенной в носовом отсеке судна, а также с помощью акванавтов. Такие киносъемки дают большую и достоверную информацию. Систематические исследования плавания дель-

8ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

финов были проведены сотрудниками института гидромеханики АН Украины в прямолинейном береговом канале прямоугольного сече- ния с монорельсом и тележками. Средняя по длине канала боковая часть остеклена, а на другую стенку и днище канала нанесена координатная сетка. Это позволяет исследовать элементы кинематики плавания морских животных в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью наземной кинофотосъемки.

Наибольшее распространение при исследовании мелких рыб получил обратный метод с использованием замкнутых гидродинамических труб, в которых циркулирует вода, а гидробионт плывет навстречу потоку. При равенстве скоростей потока и гидробионта последний будет находиться в определенном месте остекленного участка трубы. Это представляется весьма удобным, так как упрощает процедуру измерений, визуальных наблюдений и киносъемок. Недостатком являются неадекватные естественным условия (ограниченность пространства, более высокая степень турбулентности и др.). Это, в свою очередь, приводит к тому, что при использовании обратного метода пограничный слой у гидробионта может оказаться турбулентным, тогда как при плавании в естественных условиях при равных числах Рейнольдса Re он является ламинарным по всей длине гидробионта либо части его длины.

4. Гидробионические и биологические особенности плавания гидробионтов

За длительное время эволюции животных в водной среде (около 1 млрд лет) видовые изменения, увеличивающие способность выжить и произвести потомство, неизбежно приводили к появлению совершенных способов плавания при сравнительно низкой затрате энергии. Это объясняет тот факт, что в сложившихся взаимоотношениях хищника и жертвы одним из важнейших факторов, обусловливающих выживание, является способность к относительно быстрому плаванию, а также преодолению больших расстояний. Конечно, кроме способности к быстрому плаванию имеются и другие факторы, обеспечивающие выживание. Одним из таких может служить образование у некоторых водных животных панциря. В последнем слу- чае подвижность гидробионта, естественно, уменьшается, но способность к выживанию все-таки становится довольно высокой.

В природе насчитывается около двадцати приспособлений для плавания в водной среде. Среди одноклеточных простейших организмов имеется класс, представители которого передвигаются благодаря волнообразному движению жгутика. Волнообразный способ плавания получил распространение также у подвижных водных животных и рыб.

Противоположностью волнообразному способу плавания в воде является реактивное движение за счет выбрасывания струи. Так плавают гидры и медузы, а также головоногие моллюски, например кальмары. Среди позвоночных этот способ плавания не встречается.

Сравнительно малоуспешным в эволюционном смысле оказалось плавание гидробионтов с помощью большого числа ресничек, которое наблюдается среди простейших кишечнополостных и гребневиков.

Реактивное движение эффективно лишь при достаточно больших числах Re, а движение с помощью ресничек – при достаточно малых значениях этих чисел. Волнообразный способ плавания в этом смысле является универсальным.

Применительно к техническим средствам движения в воде наибольший интерес представляет изучение гидробионических особенностей быстроплавающих рыб, дельфинов и кальмаров.

Способы плавания представителей класса пресноводных и морских животных и рыб определяются относительно большим удлинением и гибкостью их тела. Различают:

угревидный способ плавания гидробионтов с длинными, гибкими и тонкими телами (угри или змеи). Этот способ плавания является классическим примером волнового движения, когда в создании движущей силы участвует все тело гидробионта;

скомброидный способ плавания, представляющий модификацию волнообразного способа. Гидродинамический анализ этого способа показывает, что для эффективного плавания рыбы удлиненной формы и при больших числах Re распространение волн вдоль всего тела необязательно. Вдоль всей носовой части амплитуда пропульсивной волны весьма малая и увеличивается в направлении к кормовой кромке, которая заканчивается хвостовым плавником;

кузовковый способ плавания рыб с относительно крупными и жесткими телами с очень коротким хвостовым плавником, который колеблется почти симметрично относительно основания хвоста;

ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

дельфины и киты полностью приспособились к морскому образу жизни, и, в отличие, скажем, от тюленей и моржей, задние конеч- ности у них отсутствуют и движущая сила создается с помощью вертикальных движений гибкого полулунного хвостового плавника;

у кальмаров движущая сила достигается за счет реакции выбрасываемой струи.

Сопоставление между собой некоторых функциональных систем гидробионтов по их относительной массе в организмах приведены в табл.1. Обращает на себя внимание относительно большая масса мышц двигателей, которая для различных гидробионтов колеблется в пределах 25…67 % от общей массы гидробионта.

Таблица 1. Относительная масса (в процентах от общей массы)

Более подробные сведения о функционально-морфологических свойствах и гидродинамических аспектах движения гидробионтов и возможности их использования приведены в табл.2.