Слижевский Гидробионика в судостроении

ГЛАВА 2 "

Представляют практический интерес экспериментальные данные относительно протяженности ламинарного участка пограничного слоя вдоль профилей перечисленных серий. По данным Хертеля, вторая цифра в номере профилей характеризует длину ламинарного участка пограничного слоя. Так, например, на профиле NАСА 63 длина ламинарного участка составляет 30 % от длины профиля, а на профиле NACA 67 – 70 %. Наряду с дельфинами объектом изучения в США явились акулы – южно-австралийская мако, белая акула и акула Thresher. В связи с этим интересны результаты сопоставления профилей акул с профилями серии NACA. Так, профиль белой акулы оказался практически идентичным профилю NACA 65. Профили акул-мако и Thresher (морская лисица) очень близки к профилю NACA 67, а также к профилю тунца.

Обширные исследования, проведенные для оценки сопротивления различных по форме тел, привели к выводу, что каждая форма благоприятна только для определенного диапазона чисел Рейнольдса, который соответствует наиболее быстрому режиму плавания животного, обладающего рассматриваемой формой.

Особое внимание было обращено на тот факт, что относительная толщина природных профилей изменяется в пределах 17…24 %, т.е. все они являются относительно толстыми. Были проведены специальные испытания тел вращения, имеющих одинаковый объем и различную относительную толщину. Оказалось (рис.2.7), что сопротивление тела вращения достигает минимального значения при от-

носительной толщине 22 %.	à

	Рис.2.7. Зависимость коэффициента со-	C
		0,020
	противления С ламинаризованных тел
	вращения эллиптической формы от	0,015
	относительной толщины d/l:
	а, b, c – тела вращения одинакового объема	0,010
	и относительной толщины d/l = 10; 25 и 40 %	0,005
	соответственно. Число Re = 107

b

0,45l	d

c

l

0

0,1

0,2

0,3

d/l

42	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

Этот вывод позволил немецким конструкторам перейти к совершенно новым и с большим полезным объемом фюзеляжей самолетам, например Hе 176 (первый самолет с реактивным двигателем, созданный в 60-е годы прошлого столетия).

2.4. Применение результатов гидробионических исследований формы тела гидробионтов в технике

Результаты гидробионических исследований формы тела гидробионтов нашли практическое использование при создании различ- ных технических средств движения в воде (подводные лодки и аппараты, торпеды, гидроакустические аппараты и др.), а также в авиации.

Так, при разработке подводных лодок в США, а также в отече- ственном судостроении использована ламинаризованная форма, близкая к форме быстроплавающих животных, в частности дельфинов, входящих в группу китообразных. Это атомные подводные лодки "Albacore", "Sturgeon" и др. (США), где нашли применение технические профили NACA со смещением наибольшей толщины в корму. Далеко не полным подтверждением этому может служить фотография "Albacore" (рис.2.8) в положении на плаву, когда над поверхностью воды возвышается только часть корпуса, действительно сходного с очертанием туловища китообразных.

Рис.2.8. Атомная подводная лодка "Albacore" в надводном положении

Более конкретные результаты дает сопоставление формы профилей NACA, созданных на основе гидробионических исследований, с наружными обводами некоторых глубоководных аппаратов (ГА). На рис.2.9 приведено сопоставление координат профиля глубоководного аппарата "Deep Quest" (рис.2.10), спроектированного и построенного авиационной фирмой "Lookheed", и профиля

ГЛАВА 2	43

NACA 63А-25 (созданного по результатам бионических исследований тела дельфина). Сопоставление показывает хорошее согласование этих профилей.

y/ymax

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 õ/l
	Рис.2.9. Ординаты профиля ГА "Deep Quest"

Рис.2.10. Общий вид ГА "Deep Quest"

Форма модели "Dolphin 1" (рис.2.11) в точности соответствует профилю NACA 66-033 (рис.2.12).

В связи с проектированием и созданием высокоскоростных глубоководных аппаратов, а также с необходимостью разработки подводного оружия (например, торпед), обладающих большими скоростями и радиусом действия, фирмой "North American Aviation" были проведены испытания большой серии моделей и в том числе "Dolphin" (см. рис.2.11), было установлено, что с ростом относитель-

""ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ной скорости совершенствование формы таких аппаратов достигается использованием профилей NACA со смещением максимальной толщины в корму. Так, например, для тела вращения в диапазоне чисел Re = (2...3) 107 профиль NACA 66-033 является оптимальным, а его использование приводит к уменьшению сопротивления на 60 %. Более того, применение профиля NACA для высокоскоростных торпед (модель "Dolphin") позволяет достичь более 2-кратного уменьшения сопротивления по сравнению с традиционной торпедообразной формой (рис.2.13). При испытании модели "Dolphin" за счет относительного увеличения длины ламинарного участка (до 70 % дли-

à

á

Рис.2.11. Общий вид модели ГА "Dolphin"

y/ymax

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 õ/l
	Рис.2.12. Ординаты профиля ГА "Dolphin"

ГЛАВА 2	45

ны) была достигнута малая шумность потока, что является важным качеством при создании бесшумного подводного оружия.

Оригинальное решение было использовано Ж.Пикаром при разработке глубоководного аппарата "Benjamin Franklin" (рис.2.14), назначение которого – дрейф и очень медленное передвижение в водах течения Гольфстрим. В качестве бионического аналога была взята

	синяя пятнистая рыба (рис.2.15),	C =	R
	медленное поступательное движе-
			ρυ 2	D2/3
	ние которой обеспечивается с по-
			2
	мощью грудных плавников, что
		0,028
	близко к тем свойствам, которые
		0,024
	нашли воплощение в глубоковод-
		0,020
	ном аппарате "Benjamin Franklin".
		0,016
	Использование новых форм "аку-
	ла" и "дельфин" в современном са-	0,012
	молетостроении со смещенной к	0,008
	кормовой кромке наибольшей	0,004
	толщиной (25 % от длины профи-		0 1107			7	3107
	ля) позволяет наряду с уменьше-							Re
						210
	нием сопротивления достичь уве-			15 25		35	45 55 υ, óç
	личения полезных объемов по	Рис.2.13. Сравнение гидродинами-
	сравнению с самолетами традици-
		ческих характеристик ГА торпедо-
	онной формы (рис.2.16).
				и каплеобразной форм

Рис.2.14. Общий вид ГА

Ðèñ. 2.14.

"Benjamin Franklin"

Общий вид ГА "Benjammin Frankein"

Ðèñ.2.15. Синяя пятнистаяðûáà Рис.2.15. Синяя пятнистая

"$	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

Имели место случаи использования в качестве аналога хорошо обтекаемой формы тела меч-рыбы, например, при создании фюзеляжа планера А-15 (Антонов О.К.).

Рис.2.16. Характеристики форм фюзеляжей современных самолетов

2.5. Свойство кожи китообразных активно регулировать гидродинамическое сопротивление

Идея изучения структуры кожи дельфинов в технических целях принадлежит М.Крамеру и неразрывно связана с его исследованиями в области аэрогидродинамики ракет и торпед (М.Крамер вместе с В.Брауном принимал участие в работах по созданию в Германии ракеты ФАУ-2). Эти исследования, начатые в Германии в 1938 году, продолжались после окончания второй мировой войны в США, куда он эмигрировал в 1944 году.

Впервые М.Крамер увидел дельфинов, когда пересекал Атлантический океан. Он написал: "Когда я увидел их плывущими, я по-

ГЛАВА 2	47

нял, что они помогут мне решить проблему сопротивления трения тел, движущихся в жидкой среде, над которой я работал в течение пятнадцати лет". Ученый предположил, что есть, должно быть, чтото своеобразное в строении кожи дельфина, благодаря чему обтекание их тела происходит в наиболее благоприятных условиях. Первые результаты изучения структуры кожи дельфина он опубликовал в 1957 году и, более подробно, – в 1960–62 гг. Одновременно он запатентовал несколько модификаций упругих покрытий движущихся в жидкости тел, которые привели к снижению сопротивления трения на 60…70 %. Изобретение М.Крамера способствовало дальнейшему развитию интереса к исследованию уникальных свойств кожи дельфина и созданию различных вариантов упругодемпфирующих покрытий технических средств движения в воде.

Исследования этих свойств, проведенные как за рубежом, так и у нас в стране, главным образом в институте гидромеханики АН Украины, позволили установить одно из свойств кожи китообразных – активно регулировать гидродинамическое сопротивление плавания посредством управления локального взаимодействия кожного покрова с натекающим потоком воды. Такое взаимодействие приводит к соответствующим локальным изменениям упругодемпфирующих свойств кожи, а это, в свою очередь, вызывает изменение структуры и характеристик потока, выражающееся в ламинаризации потока.

Кожа у дельфинов достаточно сложной структуры, на порядок толще кожи крупных костистых и акуловых рыб и состоит из нескольких более или менее выраженных слоев, между которыми расположены соединительные мембраны, являющиеся каркасом кожного покрова. Выделяется мягкий наружный поверхностный слой (дерма-кожа) толщиной 1,5 мм, который покрывает всю поверхность тела, включая голову и плавники, и внутренний прочный слой толщиной 6 мм, состоящий из волокнистой ткани (рис.2.17).

Наибольший интерес с точки зрения гидробионики представляет наружный гидрофобный*) слой, который состоит из наружного упругого (резиноподобного) слоя эпидермиса толщиной 0,5 мм, под которым расположен ячеистый слой. В углублениях (ячеях) последнего расположены дермальные сосочки.

*) Гидрофобный – не смачиваемый водой.

48	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

Сосочковый слой у китообразных гипертрофически развит, что в конечном итоге определяет уникальное упругодемпфирующее свойство кожи. Дерму китообразных можно сравнить со щеткой, пронизывающей слой эпидермиса. У двухметровых дельфинов содержится 30 106 сосочков (15…20 на мм2) высотой до 1 мм и диаметром 0,1 мм. Каждый дермальный сосочек насыщен артериовенозными капиллярами и содержит различные нервные окончания, что позволяет в зависимости от внешних гидродинамических возмущений соответствующим образом регулировать кровенаполнение сосочков и, таким образом, изменять локально упругодемпфирующее свойство кожи.

á à à

	â	Рис.2.17. Типичное строение кожного
		покрова китообразных:
		а – дермальные сосочки; б – продольные
		эпидеомальные перегородки; в – подсосоч-
ã		ковый слой дермы; г – подкожная жировая
à		клетчатка

Подсосочковый слой дермы содержит большое количество кровеносных сосудов и нервных стволов, ответвления которых подходят к дермальным сосочкам. Важной особенностью сосочкового слоя является то, что сосочки расположены упорядоченно на более плотных продольных перегородках-валиках. Другими словами, дермальные сосочки расположены продольными рядами, ориентированными вдоль линий тока.

Анализ структурных и гистологических особенностей кожного покрова китообразных приводит к выводу о его гидродинамической функции. Так как вершины дермальных сосочков находятся на расстоянии всего 0,5 мм от наружной поверхности, то они в состоянии воспринять гидродинамические пульсации, возникающие в погра-

ГЛАВА 2 "'

ничном слое, и соответствующим образом реагировать на них. Благодаря большой плотности сосочков (15…20 шт. на мм2) плотность нервных окончаний дельфина даже выше, чем у человека. Это, в свою очередь, определяет высокую чувствительность кожи дельфина на внешние гидродинамические возмущения.

Механизм действия кожного покрова М.Крамер объяснил следующим образом (рис.2.18). При возникновении гидродинамической пульсации в пограничном слое тонкий упругий слой эпидермиса 1 передает практически без изменения пульсации давления на дермальные сосочки 2, заполненные жидкостью и пористым веществом и обладающие упругостью за счет кровенаполнения артериовенозных капилляров. За счет этого энергия гидродинамических возмущений поглощается и затрачивается на преодоление сил вязкости жидкости в сосочках и остальных слоях кожного покрова. При этом под воздействием сил упругости восстанавливается форма наружной поверхности кожи дельфина. В конечном итоге происходит ламинаризация пограничного слоя, формируемого при обтекании тела дельфина потоком вязкой жидкости. Одним из внешних проявлений гидродинамической функции кожи является ее порозовение при увели- чении скорости дельфина.

Исключительный интерес представляет тот факт, что у дельфи-

нов и китов сосудистая система
секционированная. Кровоснаб-		1
жение, а поэтому и регулирова-
ние упругодемпфирующих ха-
рактеристик китообразных осу-	2
ществляются локально секция-
ми на каждом участке кожи.	2	1
Поскольку при нестационарном
плавании происходят изгибные

колебания в вертикальной плоскости, можно полагать, что система авторегуляции упруго-

Рис.2.18. Механизм действия кожного покрова дельфина

#	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

демпфирующих свойств кожи включается последовательно, по секциям, со смещением по фазе. Тем самым в каждой секции возможно чередование фаз наибольшей активности и относительного отдыха.

И, наконец, высказываются также суждения, что экстрорецепторные*) устройства, обладающие анализаторскими функциями, фиксируют гидродинамические процессы в пограничном слое еще до того момента, когда в нем возникают заметные пульсации. Экстрорецепторы могут входить в более сложные управляющие системы, которые обеспечивают сокращение тех или иных мышц, воздействующих на те или иные участки кожного покрова. Таким образом, помимо пассивного управления пограничным слоем, связанного с изменением упругодемпфирующих свойств кожного покрова, вполне обоснованным следует учитывать влияние рецепторов, осуществляющих обратную связь и реагирующих на изменение характеристик пограничного слоя. При этом высказывается предположение, что активный контроль за потоком около тела дельфин может осуществлять с помощью мускульных усилий, вызывающих деформацию кожного покрова в виде стационарных или бегущих достаточно крупных складок. Было высказано также предположение, что складки возникают в критических условиях (увеличение скорости передвижения, резкое изменение направления движения во время быстрого плавания), т.е. в те моменты, когда следует ожидать резкого увеличения сопротивления движению.

Исследования, проведенные институтом гидромеханики АН Украины на живых дельфинах в естественных условиях и жестких моделях тела дельфинов в бассейне при скорости движения υ0 = 0,5…4,5 м/с, позволили сделать вывод о существенном разли- чии характеристик пограничного слоя плавающего дельфина-афа- лины и его модели, которое сводится к следующему:

степень пульсации ευ продольной составляющей скорости живого дельфина практически постоянна вдоль его тела, тогда как для его модели на расстоянии x = 0,8L от носика имеет место всплеск, что явно указывает на локальное упругодемпфирующее действие кожи дельфина**);

*) Экстрорецептор (экстерорецептор) – чувствительные образования.

**) Отсутствие всплеска ευ в кормовой оконечности тела дельфина, по мнению некоторых авторов, объясняется также взмахами хвостового плавника.