К використанню повітряної подушки інженерів привели численні спроби знизити гідродинамічний опір суден. Ще на початку нинішнього століття шведський інженер Густав Лаваль розпочав роботу з прискорення руху суден за допомогою повітряного мастила — тонкого шару повітря, що вводиться між корпусом судна та водою. Однак позитивних результатів отримати йому не вдалося.
Наш великий співвітчизник К. Е. Ціолковський у 1927 році запропонував інше рішення: знижувати гідроопір за допомогою товстішої повітряної прошарки — повітряної подушки. Тоді ж професор Новочеркаського політехнічного інституту В. І. Левков підтвердив правильність цього рішення розрахунками та модельними випробуваннями. У 1935 році він побудував дослідні катери Л-1 та Л-5 і успішно їх випробував: катери рухалися над водною поверхнею, вільно виходили на берег, маневрували над ораною полем. На контрольних випробуваннях у 1937 році Л-5 показав на воді рекордну для суден швидкість 73 вузли (понад 133 км/год).
Рис. 1. Одномісна аматорська амфібія «Картайр Мк 111» (Австралія). Обладнана двома двотактними двигунами (по 160 см3). Вентилятор відцентровий, управління — повітряними кермами.
Справу В. І. Левкова продовжили конструктори Г. С. Туркін, який першим у світі розробив апарат соплової схеми та отримав авторське свідоцтво на «вездехідну безколісну транспортну машину на повітряній подушці», та В. І. Кожехін.
Перспективність використання таких апаратів привернула увагу і зарубіжних фахівців. Починаючи з 50-х років ними займалися фірми Англії, Канади, США, Франції, Японії та інших країн. Створено безліч різних типів машин: від одно-двомісних (рис. 1—3) до великих транспортних вантажопідйомністю в сотні тонн.
У нас машини на повітряній подушці вже знайшли широке практичне застосування в народному господарстві. За своїм призначенням вони поділяються на кілька типів:
СВП — судна на повітряній подушці, використовуються тільки над водою. До них належать пасажирські «Сормович», «Червоне Сормово» та інші;
МВП — машини (автомобілі, мікроавтобуси, мотоцикли), призначені для руху над водою та над землею в умовах бездоріжжя: над болотами, перезволоженими полями, ріллями. Таких вездеходів у нашій країні створено багато. Це «Барс», «Вихор», «Бриз», «Гепард», «Веселка», МПІ-18, САВР-1, САВР-2 місткістю 5—10 пасажирів та легкі одно-двомісні машини Харківського авіаційного (рис. 4), Уфимського політехнічного інститутів, численні МВП аматорської побудови;
ПВП — платформи на повітряній подушці, до яких належать вантажні самохідні та несамохідні апарати, що буксуються яким-небудь видом транспорту. Західно-Сибірський ВНДІнафтопром побудував цілу серію таких платформ вантажопідйомністю в 40, 60 і навіть 400 тонн для перевезення важкого нафтодобувного обладнання в умовах бездоріжжя.
Повідомлялося також, що за кордоном створюється «Атлант» — атомохід на повітряній подушці, призначений для трансатлантичних рейсів. Він має водотоннажність 15 тис. т, швидкість 130 вузлів і зможе перевозити 4 тис. пасажирів та 2 тис. автомобілів.
З’явився і такий напрямок, як колісні або гусеничні машини з аеродинамічною розвантаженням. В умовах бездоріжжя у них вмикається повітряна подушка, яка знімає значну частину ваги машини. При цьому тиск повітря регулюється з таким розрахунком, щоб тягове зусилля коліс або гусениць при зчепленні їх із ґрунтом залишалося достатнім для забезпечення руху.
Прообразом апарата на повітряній подушці може послужити звичайна каструля без кришки, перевернута догори дном. Тиск повітря в ній дорівнює атмосферному. Якщо в корпус апарата нагнітати повітря, то тиск буде підвищуватися. За законом Паскаля воно поширюється у всіх напрямках з однаковою силою, впливаючи на стінки, дно апарата, основу, на якій він стоїть. Стінки жорстко пов’язані між собою і не можуть роздатися від сил тиску. А ось дно та основа можуть. Сили тиску, що діють на дно, будуть поступово сприймати вагу апарата на себе, поки не відірвуть його від основи. Утворюється щілина, через яку повітря почне виходити. Нагнітач буде компенсувати цю витрату, і апарат повисне над основою — буде триматися на повітряній подушці (рис. 5).
1 — корпус, 2 — повітряний гвинт, 3 — двигун, 4 — зона підвищеного тиску, Н — висота паріння.
Рис. 6. Схема АВП з гнучким огородженням — спідницею.
Рис. 7. Соплова схема утворення повітряної подушки: зліва — односоплова, справа — двохсоплова.
Рис. 8. Мотоцикл на повітряній подушці:
ЦТ — центр ваги всієї системи, ЦД — центр тиску корпусу, М — плече кренячого моменту, V — горизонтальна складова сили тяги.
Рис. 9. Схема МВП, обладнаного керованими вікнами (1) та стулки (2).
Рис. 10. Схема МВП з роздільним приводом нагнітача та рушія.
Прохідність такого апарата, коли він рухається, невелика, оскільки жорсткий низ не пропускає під себе нерівності ґрунту. Прохідність збільшують, встановлюючи по периметру корпусу м’яке огородження — спідницю. Висота паріння апарата зі спідницею при тому ж тиску значно більша (рис. 6). Це так звана камерна схема, у якої один істотний недолік — мала стійкість. Апарат такої конструкції надзвичайно чутливий до зміни центрування.
Ми згадували вже про винахід Г. С. Туркіна — апараті соплової схеми. Суть його в тому, що повітря від нагнітача направляється в сопло, виконане по всьому периметру дна. Це вузька переривчаста щілина, орієнтована під деяким кутом до центру машини. Виходячи з сопла, повітря утворює завісу, що огороджує зону підвищеного тиску під корпусом. Висота паріння при цьому значно збільшується. Ще краще два подібні паралельні сопла. Апарати соплової схеми менш чутливі до зміни центрування.
Аматори технічної творчості активно використовують властивість невеликих АВП чутко відгукуватися на незначні зміни центрування для управління. Достатньо невеликої зміни положення центру ваги (ЦТ) відносно центру тиску (ЦД) повітря на дні, як утворюється пара сил, що кренять АВП. Повітря витікає з-під корпусу нерівномірно — більше в бік, протилежну крену, утворюється горизонтальна сила, яка і використовується для управління.
На рисунку 8 представлено ескіз одномісного мотоцикла на повітряній подушці. Сидіння водія виконано рухливим, на роликах. Водій важелем зміщує сидіння разом із собою вперед або назад, нахиляється вбік. Тим самим він переміщує центр ваги, викликаючи крен мотоцикла та змінюючи швидкість і напрямок руху. Нагнітач на апараті розташований похило: використовується зустрічний потік повітря для підвищення тиску в повітряній подушці за рахунок швидкісного напору. Крім того, через нахил нагнітача виникає горизонтальна складова сили тяги, яка забезпечує поступальний рух.
Керувати можна і завдяки реактивній силі, що утворюється при випуску повітря через задню поворотну стулку (рис. 9). Повертають, використовуючи спеціальні вікна в бортах корпусу, які постачені керованими заслінками або жалюзі. Повітря, що випускається через ці вікна, створює реактивну силу — апарат поспішає в потрібний бік. Заслінки зазвичай знаходяться в закритому положенні і відкриваються при маневруванні та гальмуванні.
Не менш поширена схема з роздільним приводом нагнітача та рушія: штовхаючого або тягнучого повітряного гвинта (рис. 10). Слід, однак, відзначити деяку незручність експлуатації роздільних силових установок. При запуску двигунів шнуром або амортизатором необхідне суворе дотримання певної послідовності: першим запускають маршовий двигун і тільки після його прогріву та переведення на малі оберти — двигун нагнітача. При запуску електростартером або стисненим повітрям (як на АВП з автомобільними та авіаційними двигунами) така послідовність може не дотримуватися.
Управління — кермом у потоці повітря за гвинтом. Такий орган управління ефективний навіть при незначному його відхиленні. Однак повітряне кермо має і недолік: центр тиску на ньому розташований високо. При поворотах аеродинамічна сила створює значний перекидаючий момент, наслідок якого — бічний крен. Особливо відчутний він на апаратах купольної схеми.
Збільшення стійкості може бути досягнуто розділенням внутрішнього простору повітряної подушки жорсткими або м’якими перегородками на окремі камери. Це запобігатиме перетіканню повітря та забезпечить збереження тиску за рахунок відновлювального моменту, що виникає в камерах при крені.
І все ж питання керованості апаратів на повітряній подушці до кінця не вирішене. Основна проблема тут у вітрильності та інерційності АВП. Бічний вітер легко зносить їх убік, весь час потрібні витрати енергії для витримування курсу. При поворотах, особливо на швидкості, апарати на повітряній подушці, розвернувшись, боком продовжують за інерцією рухатися деякий час прямолінійно. Це значно збільшує радіус повороту та ускладнює управління.
Судна на повітряній подушці перебувають у більш вигідному становищі, оскільки зазвичай по бортах вони мають занурені у воду бічні кілі. Кілі запобігають бічній витоку повітря, допомагають повніше використовувати швидкісний напір зустрічного потоку для підвищення тиску в повітряній подушці та створюють опір при бічному зносі судна.
МВП подібних кілів не мають. Однак можна припустити, що встановлення по їх бортах вільно обертових металевих дисків, що входять у зачеплення з ґрунтом, сприятиме підвищенню стійкості апаратів на поворотах та при русі з бічним вітром. Такі диски повинні мати амортизатори і легко вводитися в зачеплення з ґрунтом при першій же потребі.
Що приваблює в легких апаратах на повітряній подушці? Насамперед простота конструкції: немає ні складних трансмісій, ні рушіїв типу коліс, гусениць, на частку яких в експлуатації припадає велике навантаження та основна маса поломок. Немає також складних механізмів управління. Разом з тим на АВП досяжна висока прохідність та значна швидкість переміщення.
Аматорами технічної творчості сконструйовано та побудовано багато подібних машин: К. Вшивцевим з Підмосков’я, А. Буяновим та його молодими друзями з Будинку піонерів далекої станції Тайга, рижанином О. Петерсоном, Д. Мухіним з Саратівської області (рис. 11), Б. Александровим та Ю. Шуміхіним з Ленінградського Палацу піонерів та школярів імені А. А. Жданова, Н. Кураєвим з Приморського краю. Про останні два АВП «Моделіст-конструктор» писав у № 6 і 12 за 1975 рік.
Аналізуючи конструкції, створені аматорами, слід відзначити їх простоту, доступність, повторюваність. Радісно, що більшість апаратів будувалося за активної участі школярів. Для них це захоплююча і в той же час серйозна робота, в якій активно використовуються та поглиблюються знання багатьох навчальних дисциплін, прищеплюється інтерес до технічної творчості, винахідництва та раціоналізаторства.
І. ЮВЕНАЛЬЄВ