Введение: одно крыло, две стихии
Крыло самолёта и подводное крыло «Метеора» делают одно и то же — создают подъёмную силу в набегающем потоке. Разница только в плотности среды: вода плотнее воздуха примерно в 800 раз, поэтому крылу под водой, чтобы поднять тяжёлый корпус, нужно быть маленьким, а скорость — умеренной.
А между этими двумя случаями есть третий, пограничный: крыло у самой поверхности, в метре над водой. Это экраноплан. И эту русскую инженерную линию — от теории до огромных машин — стоит знать.
📐 Теория: Жуковский и подъёмная сила
Долгое время в школьных книжках подъёмную силу объясняли неверно: будто воздух над выпуклой стороной крыла «должен пройти больший путь за то же время» и потому ускоряется. Это миф — потоки сверху и снизу не обязаны встречаться, и время у них разное.
Правильное объяснение дал Николай Егорович Жуковский — «отец русской авиации». В работе «О присоединённых вихрях» (1906) он показал: вокруг крыла в потоке возникает циркуляция — слабое круговое движение воздуха, наложенное на общий поток. Сверху оно складывается с потоком (быстрее, давление ниже), снизу вычитается (медленнее, давление выше). Разность давлений и есть подъёмная сила.
Её точная величина — теорема Кутты–Жуковского: подъёмная сила на единицу длины крыла равна ρ · V · Γ (плотность × скорость × циркуляция). К той же связи независимо пришёл немец Мартин Кутта (1902), поэтому теорема носит два имени.
Проще, «по Ньютону»: крыло отклоняет поток вниз, а поток по третьему закону толкает крыло вверх. Циркуляция Жуковского — это и есть точный язык для «насколько сильно крыло загибает поток». Жуковский основал ЦАГИ (1918) — институт, из которого вышла вся советская авиа- и гидродинамика.
💧 Подводное крыло: флот Алексеева
Если то же крыло поставить под днище судна, на скорости оно создаст подъёмную силу и вытолкнет корпус из воды. Сопротивление резко падает (корпус больше не пашет воду), и судно летит над поверхностью на тонких «ногах»-крыльях.
Серийным этот принцип сделал Ростислав Евгеньевич Алексеев и его ЦКБ в Горьком (ныне Нижний Новгород). Его суда на подводных крыльях (СПК) стали приметой каждой большой реки:
- «Ракета» (1957) — первая серийная,
- «Метеор», «Комета» (морская), «Восход» — пассажирский флот СССР.
И это не музей: ЦКБ им. Алексеева возродило производство. Сегодня ходят «Валдай 45Р» (головное судно 2017, серия с 2019, 45 пассажиров, ~65 км/ч) и новый «Метеор 120Р» (с 2021 года), а до 2027-го заложено больше двадцати новых судов. Линия Алексеева — живая.
Где предел. Чем быстрее крыло, тем ниже давление на его верхней стороне — и на какой-то скорости оно падает ниже давления насыщенного пара. Вода вскипает, рождаются пузырьки, их схлопывание разрушает крыло. Это кавитация — она и ставит потолок скорости судам на подводных крыльях (подробнее — в статье Кавитация).
🛩️ Крыло у экрана: экранопланы
Если опустить крыло к самой поверхности — на высоту меньше его ширины — возникает экранный эффект: между крылом и водой «запирается» воздух, подъёмная сила резко растёт, а сопротивление падает. Машина не плывёт и не вполне летит — она скользит в подушке собственного крыла в нескольких метрах над водой.
Здесь сошлись две разные инженерные школы — и это важно не путать:
- Судостроительная линия — Алексеев. Из своих СПК он вырос в гигантские морские экранопланы: «КМ» (на Западе прозванный «Каспийским монстром»), ракетный «Лунь», десантный «Орлёнок».
- Авиационная линия — Бартини. Роберт Людвигович Бартини — итальянский аристократ-коммунист, уехавший из фашистской Италии в СССР и ставший авиаконструктором, которого называли «гением предвидения». Его ВВА-14 (вертикально взлетающая амфибия, первый полёт 1972) в итоге испытывалась именно как экраноплан.
Это были параллельные русла, а не «учитель и ученик»: Алексеев шёл от корабля, Бартини — от самолёта, и оба пришли к крылу у экрана. Часто пишут, что «благодаря Бартини СССР на годы опередил всех в экранопланах», — но это оценочная, журналистская формулировка, а не строгий факт прямой преемственности.
Остриё личности. Бартини интересен ещё и тем, что выходил далеко за рамки авиации: он публиковал работу о шестимерной модели мира (три измерения пространства и три — времени). Учёный, который сам жил на границе между точной инженерией и большой неразгаданной тайной, — фигура ровно в духе этого проекта.
🐟 Крыло в живой природе
Подводное крыло придумали не инженеры. Множество животных «летает под водой» на крыльях:
- Пингвины, морские черепахи, скаты буквально машут крыльями-ластами и летят под водой — ласты работают как осциллирующие крылья и создают подъёмную силу. Манта-скат «парит», взмахивая грудными «крыльями».
- Акула — живое подводное крыло. Большинство акул тяжелее воды и тонут, если перестают плыть. Их грудные плавники работают как неподвижные крылья: на ходу создают подъёмную силу — ровно как крыло самолёта держит самолёт, а крыло «Метеора» держит корпус. Это самая точная биологическая аналогия судна на подводных крыльях: нет скорости — нет подъёма.
- Дельфины и тунцы используют крыло иначе — в хвосте. Хвостовой плавник (у дельфина — лопасти-флюки) колеблется под углом к потоку и создаёт подъёмную силу, направленную вперёд, то есть тягу. Это крыло-движитель, а не крыло-опора.
А экранный эффект, на котором держится экраноплан, в природе используют птицы, скользящие у самой воды: пеликаны и водорезы летят над гладью в считаных сантиметрах, экономя силы на воздушной подушке между крылом и водой.
Отдельная история — лапа черношейной поганки, которая гребёт не как весло, а создаёт подъёмную силу — как крыло. О ней — отдельная статья.
Остриё науки
Подъёмную силу крыла Жуковский посчитал больше века назад. Но поток вокруг крыла в общем случае мы по-прежнему не умеем предсказывать из первых принципов — потому что он становится турбулентным. Существование и гладкость решений уравнений Навье–Стокса, описывающих течение жидкости, — одна из «Проблем тысячелетия», за которую назначена премия в миллион долларов. Она не решена.
То есть крыло, которое держит «Метеор» над Волгой, опирается на физику, у которой до сих пор есть открытый математический край. Инженер умеет строить то, что математик пока не умеет полностью описать.
Читать дальше
→ Кавитация: почему у подводного крыла есть потолок скорости → Аэродинамика Бернулли: подъёмная сила и эффект Коанда руками → Вихревые кольца: циркуляция и вихри — родственная гидродинамика