Слижевский Гидробионика в судостроении

ГЛАВА 3	101

Существуют различные проекты эластичного покрытия корпусов надводных судов, подводных лодок и аппаратов, на поверхности которых создается "бегущая волна".

Так, в США в 1965 году был опубликован патент, в котором в качестве движительной системы судна предлагалось применять деформируемое определенным образом эластичное покрытие корпуса. Такое покрытие должно обеспечивать судну необходимый упор за счет волнообразных деформаций, создаваемых специальной механической конструкцией внутри корпуса судна.

Представляет интерес патент, выданный в 1962 году в США, на новую конструкцию гидродинамического движителя для подводных лодок. Движитель содержит четыре элемента, которые расположены симметрично по шпангоутам ПЛ в виде продольных булей – два в ДП и два в плоскости ВЛ. Були изготовлены из эластичного материала и на них с помощью гидравлической системы создается "бегущая волна", приводящая ПЛ в движение. При включении гидравли- ческих элементов, расположенных по одному из бортов, ПЛ будет перемещаться в плоскости ВЛ. В свою очередь, маневрирование по глубине обеспечивается эластичными булями, расположенными в ДП. В патенте указывается, что движитель не требует наличия гребного винта, вертикальных и горизонтальных рулей, что улучшает герметизацию прочного корпуса, обеспечивает высокую маневренность и повышает скрытность ПЛ, поскольку пропульсивная система работает бесшумно.

В 60-е годы американским инженером Боуласом был построен небольшой катамаран, сочленения корпуса которого совершали волновые движения, подобные движениям дельфина. Как показали наблюдения, при движении этого "катамарана-дельфина" не возникало кильватерной струи, что обеспечивало бесшумность движения. Этим сразу же заинтересовались в США с перспективой разработки проекта ПЛ с корпусом, расчлененным тремя шарнирными соединениями, полагая, что благодаря отсутствию гребных винтов, двигателей и редукторов обнаружение ПЛ будет затруднено.

102	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ГЛАВА 4. МОРСКИЕ ЖИВОТНЫЕ – ПОМОЩНИКИ В ОСВОЕНИИ ОКЕАНА

4.1. Подготовка морских животных для обеспечения научных исследований под водой

В предыдущих главах изучались принципы устройства, структуры и функций органов локомации гидробионтов с целью совершенствования пропульсивных качеств и маневренности технических средств движения в воде, а также создания новых технических систем и средств освоения Мирового океана. Наряду с этим начиная с 60 годов прошлого столетия в различных странах проводились исследования для изучения возможностей использования морских животных для непосредственного участия в подводных научных работах.

Согласно программам ВМС исследования, проводившиеся в США, показали возможность подготовки морских животных (дельфинов, морских львов и тюленей) к такого вида работам. Так, в лабораториях "Sealab II и III" (США) дельфин Таффи (рис.4.1) ходил в упряжке, находил и приносил различные предметы и возвращался в лабораторию по звуковому сигналу, который он слышал на расстоянии до 30 м (человек такой сигнал мог услышать лишь на расстоянии до 1 м). Исследования показали способность дельфинов доставлять различные предметы с поверхности к аквалангам, а также перевозить их по дну моря с помощью специальных упряжек. К числу этих предметов относятся инструменты, медикаменты, образцы для лабораторных анализов и др.

В испытательном центре ракетного управления ВМС США дельфинов привлекали к поиску

Рис.4.1. Дельфин Таффи спусковых подушек ракет, кото-

ГЛАВА 4	103

рые вылетают при пуске вместе с ракетой. Дельфин по звуку зуммера, прикрепленного к затонувшей подушке, отыскивал ее, а следовавший за ним водолаз производил подъем подушки. Кроме того, дельфинов обучали присоединять тросы к затопленным торпедам и ракетам для последующего их подъема с морского дна.

Помимо этого в лабораториях "Sealab" изучались и другие возможности использования морских животных в качестве помощников человека в освоении Мирового океана. В этой связи большое значение придавалось изучению разговорного языка дельфинов, что может существенным образом облегчить непосредственное общение между ними и человеком.

Следует также отметить исследования, проводимые с акулами в океанариумах различных стран (США, Великобритания, Ю.Африка, Австралия и др.) главным образом с целью разработки мер защиты людей от их нападения. Несмотря на трудности в изучении, акул, проводились также опыты по дрессировке акул и выяснению их способностей различать предметы по форме и цвету.

4.2. Возможность использования морских животных при проведении боевых операций

Âзарубежной прессе на протяжении последних лет активно обсуждаются различные проекты использования дельфинов в военной обстановке. Например, высказывается мнение о том, что дельфины могут быть натренированы для несения патрульной службы, прослушивания шумов подводных лодок и сигнализации об их приближении, для обнаружения мин и торпед, поддерживания связи между надводными и подводными судами, буксировки акванавтов. Дель- фины-"камикадзе" с динамитом в упряжке могли бы преследовать и таранить надводные суда и подводные лодки.

Вместе с тем анализ физических возможностей дельфинов показывает, что часть этих проектов является необоснованной.

Âсвязи с ограниченностью максимальной скорости движения (20…22 уз) дельфины не могут быть привлечены для преследования атомных подводных лодок, скорость которых более 30 уз. Более того, дельфины не могут погружаться на глубину, необходимую для выполнения этой военной задачи. Самая большая глубина погружения для дельфинов, о которой сообщалось, это достигнутая Таффи,

104 ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

и составляла она 168 м. Время на погружение и всплытие заняло при этом 2 23 ìèí.

При оценке реальности проектов подобного рода не следует забывать, что дельфины не могут сдерживать свое дыхание более чем на 6…10 мин.

Столь же неубедительной представляется возможность использования дельфинов для обнаружения подводных лодок, поскольку действие гидролокатора дельфина в горизонтальной плоскости распространяется на расстояние не более 100 м. В настоящее время еще не известно, может ли дельфин следить за обстановкой в секторе около 1000 м и более.

4.3. Разговорные и звуколокационные способности дельфинов

Обучение морских животных выполнению различных поруче- ний промышленного и военного характера было бы существенно облегчено, если бы человек смог установить разговорное общение с ними.

Способности морских животных издавать звуки изучаются в различных аспектах:

органы, с помощью которых морские животные издают звуки; звуки разговорного общения животных друг с другом; звуки гидролокационного назначения;

возможность звукового общения морских животных с человеком. Изучение разговорных и звуколокационных способностей морских животных осуществляется по двум взаимосвязанным направлениям – лабораторные исследования и полевые испытания с привлечением специалистов различного профиля (по физике, математике, лингвистике, медицине, анатомии, акустике, электронике, дрес-

сировщиков и специалистов по экспериментальной психологии).

Органы, с помощью которых морские животные издают звуки. Наиболее известным среди исследователей акустических способностей и языка дельфинов является американский ученый, невролог по образованию Д.Лилли, который считает, что дельфины обладают разумом, вполне достаточным, чтобы научить их доставлять к цели боеголовки ракет, подрывать мины подобно смертникам-"ка- микадзе" и, главное, дельфинов можно научить поддерживать связь с человеком.

ГЛАВА 4	105

Дельфины имеют два, а возможно, три устройства для воспроизведения звука, которыми они могут пользоваться как раздельно, так и одновременно. Источником звука являются носовые отверстиядыхала. Правый канал дыхала несколько больше левого, что сказывается на частоте воспроизводимых звуков. Дельфин может использовать левое дыхало для воспроизведения звука, высота которого со временем возрастает, а правое – для звука, высота которого падает. При смешивании звуков возникают сигналы с частотами, равными сумме или разности частот двух каналов. Сигнал с разностной частотой находится в диапазоне звуков, воспринимаемых человеком, тогда как звук с суммарной частотой находится вне диапазона слышимости. В связи с этим звуки, издаваемые дельфином, лежат в диапазоне частот от 200 Гц до 150 кГц.

Звуки разговорного общения морских животных между собой. Наблюдения показывают, что между собой дельфины обмениваются звуками, имеющими характер свистов и щелчков. При общении они всегда отвечают в той же форме, в которой им послан запрос, причем дельфин воспроизводит звуки в паузах между свистами другого. Наблюдались и отклонения от этого правила, когда дельфины свистят одновременно, причем эти свисты воспроизводятся синхронно.

Оригинальными экспериментами, проведенными в лабораториях США Д.Лилли, Д.Баттом и Д.Бастионом, было установлено, что в процессе общения между собой система передачи информации у дельфинов носит акустический характер. Более того, изучение многочисленных акустических сигналов, издаваемых животными, позволили сделать вывод, что дельфины действительно разговаривают друг с другом и что их общение – гораздо более сложный процесс, чем простой обмен сигналами. Результаты опытов, кроме того, показали, насколько развиты акустические и умственные способности дельфинов по сравнению с другими животными, включая приматов.

Звуки гидролокационного назначения. Локационные сигналы у дельфинов служат двум основным целям: ориентации в окружающих условиях и распознаванию объектов. При плавании даже в прозрачной воде при хорошем освещении дельфины производят короткие взрывные звуки, которые слышатся как громкие щелчки. Назначение этих звуков – получение информации о находящихся поблизости крупных объектах. Если же дельфин выделяет интересующую цель, частота посылаемых импульсов возрастает от 20…80 им-

106	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

пульсов в секунду до нескольких сот. При этом звук воспринимается как скрип открывающейся двери. Обследование окружающего его участка дельфин осуществляет, поворачивая голову и используя для этого два отдельных источника звука.

Было установлено также, что, издавая щелкающие звуки и поворачивая голову из стороны в сторону, дельфин воспринимает отраженный сигнал. Тогда он посылает еще больше щелкающих сигналов и с большей частотой. По величине интервала времени между посылаемым и отраженным сигналами дельфин определяет расстояние до предмета. Наблюдения показали, что дельфины обладают высокими звуколокационными способностями, позволяющими обнаружить даже малую разницу в размерах предметов, и, более того, могут распознать материал, из которого изготовлены эти предметы. В последнем случае они, видимо, пользуются иной информацией, нежели интенсивность отраженного сигнала. Порог чувствительности, представляющий собой минимальный уровень звука, ощущаемого дельфином, приблизительно такой же, как и у человека. Однако диапазон воспринимаемых частот шире и составляет 75...150 кГц.

Возможность звукового общения морских животных с человеком. Это направление интересно и наиболее перспективно, поскольку наблюдения и опыты показывают, что дельфин обладает лучшими акустическими приспособлениями, чем любое другое животное. Проводимые в этом направлении исследования позволят, вероятно, воссоздать звуколокационное устройство дельфина. Возможно также, что дельфины смогут общаться с человеком, используя определенный запас слов, и стать его помощником в освоении Мирового океана.

Решение проблемы человека и дельфина требует применения средств компенсации несоответствия частотных характеристик их слуховых аппаратов, аппаратов воспроизведения звука и свойств окружающей среды. Так, например, в звуках голоса человека имеются ультразвуковые сигналы, которые он сам не воспринимает, но которые может слышать дельфин. Для смещения речи человека в область слышимости дельфина и наоборот созданы специальные электронные преобразователи, называемые трансляторами "человекдельфин" и "дельфин-человек", схема которых приведена на рис.4.2.

Транслятор "человек-дельфин" преобразует речь человека в синусоидальные сигналы различной частоты, носящих характер свис-

ГЛАВА 4	107

тов, похожих на издаваемые дельфинами. Дельфинов, в свою оче- редь, обучают понимать каждый из таких свистов. Во время опытов исследователь находится в кабине и говорит перед микрофоном, соединенным с преобразователем "человек-дельфин". Слова, произносимые с частотой 200…3500 Гц, сдвигаются в сторону более высоких частот. Таким образом, сигнал, поступающий на гидрофон, находится в полосе частот 2…35 кГц. Сам преобразователь состоит из импульсного детектора речевых частот, преобразователя речи в постоянный ток и генератора свистов. Логическая схема включает и выключает сигнал, отсеивая звуки, не соответствующие человеческой речи. Транслятор "дельфин-человек" преобразовывает свисты дельфина в синтетическую речь путем генерирования постоянного

	1
	3	4	5
2
			7
			6
			9
			8
12	11		10
	13
	14	16	17
	15

18

Рис 4.2. Схема транслятора "человек-дельфин":

1 – микрофон; 2 – к магнитофону; 3 – усилитель; 4 – транслятор "человек-дель- фин"; 5 – усилитель; 6 – передающий гидрофон; 7 – преобразованная речь человека; 8 – голос дельфина; 9 – акустическая обратная связь; 10 – гидрофон; 11 – блок питания и усилитель; 12 – транслятор "дельфин-человек"; 13 – к осциллографу; 14 – усилитель; 15 – к микрофону; 16 – звуковой усилитель; 17 – динамик;

18 – осциллограф

108	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

тока с напряжением, пропорциональным частоте свистов дельфинов. Это напряжение затем преобразуется в двойные импульсы, время между которыми изменяется с расчетом обеспечения лучшего понимания синтезированного языка.

Американскими учеными Д.Лилли и Д.Батто была обнаружена удивительная способность дельфинов, редко встречающаяся у животных, – воспроизводить слова и ассоциировать их с предметами. Эта способность дельфинов достигалась в процессе обучения и заключалась в одновременном воспроизведении "слова" через транслятор и демонстрации предмета или действия. Так, одному из сотрудников Д.Батто удалось добиться того, что дельфин начал связывать слово с определенным предметом. Он приучил животного к виду этого предмета, время от времени повторяя, например: "мяч", "шляпа", "палка". И животное довольно быстро начинало связывать данный предмет с его названием. Кроме того, если дельфин повторял слово или воспроизводил его достаточно близко, он слышал другое слово, соответствующее одобрению на языке свистов, и получал "премию" в виде рыбы. Словарь был ограничен, поскольку при большом количестве слов наблюдатель не всегда мог понять, что "сказал" дельфин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гидробионика в судостроении. – М.: Центральный научно-исследо- вательский институт информации и технико-экономических исследований, 1970.

2.Козлов Л.Ф. Теоретическая биогидродинамика. – К.: Вища школа,

1983.

3.Носов Е.П. Плавниковый движительно-рулевой комплекс // Судостроение. – 1996. – ¹ 1.

4.Павленко Г.Е. Избранные труды. – К.: Наукова думка, 1978.

5.Першин С.И. Основы гидробионики: Учеб. пособие. – Л.: Судостроение,1988.

6.Слижевский Н.Б. Основы гидробионики. – Николаев: НКИ, 1992.

7.Чириченко В., Константинов Г. От корпуса к волновому движителю

//Морской флот. – 1996. – ¹ 2.

8.Foilpropellen Kanrevolusjonere skipsfarten // Tekt.Ukeb. – 1988. – ¹ 39.

9.Isshiki H., Murakami M. Wave power utilization into ship propulsion // Proc. of the 5th. Intern. Offshore Mech. and Arct. End. (OMAE) Symp. – Tokyo, 1986.

10.Potze W. On Optimum Sculling Propulsion // J. Ship. Res. – 1986. – 30.

11.Potze W., Sparenberg J.A. On the efficiency of optimum finite amplitude sculling propulsion// Intern. Shipbuild. Progr. – 1983. – 99.

12.Jakobsen E. The working principle of the foil propeller // Norw. Shipp News. – 1983. – 39.

13.Wave power for ship propulsion // Mat. Ship. – 1983. – 54.

110	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................		3
1.	Бионика и ее содержание ....................................................	3
2.	Предмет гидробионики и его место в цикле наук о техни-
ческих средствах движения в воде ..........................................		5
3.	Методы гидробионики .......................................................	6
4. Гидробионические и биологические особенности плава-
ния гидробионтов ...................................................................		8

Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КИНЕМАТИКА НЕСТАЦИОНАРНОГО ПЛАВАНИЯ КИТООБРАЗНЫХ И СКОРОСТНЫХ РЫБ 13

1.1. Особенности формы тела эффективно плавающих кито-
образных..................................................................................	13

1.2.Особенности формы тела и плавников у скоростных рыб 20

1.3.Общая характеристика и анализ кинематики нестацио-

нарного плавания гидробионтов ...........................................	24
1.4. Обобщенные зависимости кинематических характери-
стик плавания гидробионтов .................................................	27

Глава 2. СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ
ГИДРОБИОНТОВ ...............................................................	30
2.1. Общая характеристика сопротивления воды движению
гидробионтов. Биоэнергетическая оценка сопротивления.
Эффект Д.Грея.........................................................................	30
2.2. Сопротивление воды движению гидробионтов. Физиче-
ские причины и явления, сопровождающие возникновение
сопротивления .........................................................................	33
2.3. Ламинаризованная форма тела скоростных китообраз-
ных и скоростных рыб ............................................................	37
2.4. Применение результатов гидробионических исследова-
ний формы тела гидробионтов в технике ..............................	42
2.5. Свойство кожи китообразных активно регулировать
гидродинамическое сопротивление .......................................	46
2.6. Искусственные упругодемпфирующие покрытия для сни-
жения гидродинамического сопротивления трения .............	51