Текст книги "Изобретения Дедала"

Автор книги: Дэвид Джоунс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 22 страниц)

Фокус с канатом и космическая ракета

 Обычные ракеты на химическом топливе весьма несовершенны в том отношении, что значительная часть их начальной тяги расходуется на подъем необходимого запаса топлива. Насколько более экономично и разумно было бы поднимать топливо заранее и пополнять его запас в ракете по мере набора ею высоты! Размышляя об этом, Дедал придумал ракетную пусковую установку, несколько напоминающую трюк с канатом, демонстрируемый индийскими факирами. Дедал вспоминает об огнепроводном шнуре, используемом для взрывных работ, который сгорает почти мгновенно: со скоростью 8000 м/с. Перед химиками фирмы КОШМАР поставлена задача разработать такой шнур, в котором горение начинается медленно, но распространяется с ускорением, скажем, 7g. Длинный кусок шнура можно было бы опустить с аэростата вниз и заправить в трубчатую ракету таким образом, чтобы конец его выходил из ее сопла. Если зажечь шнур снизу, то пламя в нем будет распространяться так, чтобы ракета двигалась вверх по шнуру. С этого момента надобность в аэростате отпадает: шнур, падающий вниз с ускорением 1g, останется в воздухе в течение времени, достаточного для прохождения ракеты.

Возникает, однако, некоторая трудность. Чтобы вывести стотонную ракету на орбиту, потребовалось бы 5000 т толстого огнепроводного шнура. Как поднять в воздух и удерживать такую тяжесть? Дедал нашел блестящее решение: нужно взять лучшее из известных ракетных топлив – смесь водорода с кислородом и наполнить этой смесью длинный-предлинный аэростат-колбасу. По расчетам Дедала, вертикально расположенный аэростат радиусом всего в 1 м способен создать реактивную тягу в 10⁷ Н. В нижней части аэростата (где ракета движется с небольшой скоростью) газы в нем разделены перегородкой из горящего с ускорением огнепроводного шнура – по мере сгорания перегородки кислород и водород смешиваются и сгорают в сопле ракеты. Когда ракета разгонится до скорости, превышающей скорость распространения пламени в смеси кислорода с водородом (около 3000 м/с), перегородка становится ненужной. Тогда смесь в сопле ракеты можно поджигать с помощью лазера. Дедал также увлечен осуществлением противоположного проекта: торможения и плавной посадки космических кораблей при помощи бикфордова шнура, скорость горения которого велика в верхней части и постепенно замедляется кинзу. Но чтобы спускаемый аппарат «оседлал» верхний конец шнура, потребуется только очень высокая навигационная точность.

New Scientist, September 20, 1973

Из записной книжки Дедала

Пусть радиус нашего аэростата равен всего лишь 1 м. Тогда его объем на метр длины равен V = πr²×1 = 3 м³; при составе смеси 2Н₂+O₂ этот объем содержит 2м³ Н₂. Плотность водорода при нормальных условиях составляет 0,09 кг/м³, так что на каждый метр длины аэростата приходится 0,18 кг Н₂. Удельная теплота сгорания водорода равна 121 МДж/кг, и при сгорании водорода, приходящегося на метр длины аэростата, выделится энергия Е = 121 × 0,18 = 22 МДж. Тогда ракета, движущаяся со скоростью v м/с, развивает мощность Р = 22 МВт, что эквивалентно тяге в 22 v/v = 22 МН(!). Принимая кпд = 45% (многовато даже для ракеты), мы получим тягу в 10 МН, не зависящую от скорости ракеты.

Замечание. Коэффициент полезного действия предлагаемой ракеты должен превосходить кпд обычных ракет. У обычной ракеты скорость истечения газов постоянна относительно сопла ракеты и уменьшается в системе отсчета, связанной с Землей. В нашей же ракете скорость истечения газов постоянна по отношению к неподвижному аэростату. Поэтому в системе ракеты скорость истечения газов увеличивается по мере ускорения движении ракеты, так что кпд также должен повышаться.

Задача. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление понижается, поэтому, если мы хотим, чтобы масса содержащегося в аэростате газа (в расчете на 1 м длины) оставалась постоянной, диаметр аэростата должен увеличиваться с высотой. В таком случае ракета должна представлять собой как бы поршень, движущийся внутри аэростата, захватывающий газ и сжигающий его в своих двигателях. Ракету можно снабдить заборным соплом, диаметр которого автоматически приводится в соответствие с диаметром аэростата. Реальная толщина атмосферы (около 50 км) может оказаться недостаточной для ускорения ракеты до первой космической скорости (8 км/с). Но поскольку аэростат невесом, мы без труда сможем расположить его под углом и увеличить таким образом путь разгона. Это также уменьшит необходимость в коррекции траектории для вывода ракеты на орбиту.

Термодинамический культуризм

Многие женщины пытаются избавиться от лишнего веса, но часто даже самые строгие диеты оказываются бесполезными. Внутренний «весостат», поддерживающий вес человека постоянным, очень трудно сбить с толку; организм просто начинает более эффективно извлекать из пищи питательные вещества, чем сводит на нет действие любой диеты. По мысли Дедала, однако, очень многие из желающих похудеть могли бы значительно улучшить свою внешность, не сбрасывая веса, а просто более рационально перераспределяя имеющиеся жировые отложения. Такое перераспределение не должно встречать противодействия со стороны «весостата» и поэтому, возможно, вполне осуществимо. Почему жировые ткани так важны? Да потому, что жир накапливается непосредственно под кожей и служит теплоизоляцией. Значит, должен существовать какой-то физический механизм, обеспечивающий отложение жира там, где он особенно необходим, на участках, подвергающихся сильному охлаждению. Дедал указывает на наиболее очевидный механизм: жир, как и большинство других веществ, лучше растворяется в жидкостях при высоких температурах, чем при низких. Поэтому даже у тех людей, у кого жировой обмен в целом стабилизирован, жир должен растворяться на более теплых участках тела и переноситься током крови к участкам, подвергающимся охлаждению. Похоже, что это предположение подтверждается практикой: не так давно медики выступили с предостережением, что мини-юбки делают ноги толстыми!

Итак, Дедал предлагает способ совершенствования женской фигуры, заключающийся в охлаждении мест, обделенных природой, и подогревании архитектурных излишеств. Дамы, страдающие «грушевидным синдромом», могут умножить свои прелести путем ношения панталои с электроподогревом и охлаждаемого бюстгальтера «рефрилиф» фирмы КОШМАР. Охлаждаемые лифчик и штанишки в сочетании с подогревным кушаком помогут исправить излишнюю строгость линий. Кое-кто, быть может, склонен предоставить недоразвитые формы воле стихии, но Дедал считает, что всепогодные термостатированные корсеты обеспечивают гораздо более приличное и универсальное решение проблемы.

Коль скоро общее количество жира остается неизменным, лучшие образцы исправляющих фигуру корсетов должны быть «адиабатическими»: все тепло, отбираемое от охлаждаемых участков, перекачивается к тем участкам тела, которые нуждаются в обогреве. При этом пациент не будет испытывать общего ощущения перегрева или переохлаждения. Естественно было бы воспользоваться для этих целей термоэлектрическим эффектом Пельтье: выделением тепла или холода на спае двух различных металлов в зависимости от полярности их подключения к источнику тока. Если встроить в одежду большое число термопар, из которых половина нагревается, а другая половина охлаждается, то такое платье станет своеобразным тепловым насосом, перекачивающим выделяемое телом тепло в соответствии с заданной программой. Вследствие малой разности температур между горячими и холодными спаями подобный тепловой насос будет иметь очень высокий кпд и при незначительном потреблении электроэнергии от небольшой батареи сможет перекачивать существенное количество тепла. «Адиабатические корсеты» фирмы КОШМАР будут заполнены термопарами, соединение которых в общую цепь осуществляется в соответствии с программой, введенной в центральный блок управления. Гибкая, оперативно корректируемая программа обеспечит быструю и уверенную эволюцию фигуры пациентки к сокровенному идеалу.

New Scientist, September 30, 1971

Из записной книжки Дедала

Экспериментальный образец «рефрилифа». (Серийная модель будет более привлекательной.)

Ухом к земле

Дедал размышляет о резонансных свойствах Луны, открытых во время полетов космических кораблей «Аполлон». Дедал вспомнил о том, что солдатам, марширующим по мосту, подается команда «сбить ногу» – это предотвращает возможность опасного резонансного раскачивании конструкции ([4], с. 43, 182). Дедал полагает, что подобные меры предосторожности будут не лишни и на Луне. Шутники-ученые уже успели вызвать гнев защитников природы предложением взорвать на Луне ядерный заряд, чтобы исследовать лунные резонансы. Фирма КОШМАР планирует еще более радикальный эксперимент, в ходе которого установленный на Луне молот станет упорно колотить по ее поверхности с частотой, подобранной таким образом, что в конце концов Луна как бокал, резонансно возбуждаемый голосом оперного певца, – разлетится вдребезги. В результате вокруг Земли образуется кольцо, напоминающее кольцо Сатурна, что будет приятно разнообразить наше ночное небо. К счастью, из-за значительного затухания сейсмических волн на поверхности Луны подобная адская машина не будет обладать достаточной разрушительной силой. Однако техника регистрации слабых сейсмических колебаний достигла в наши дни такого совершенства, что Дедал предлагает проект сейсмической системы связи, состоящей из передатчика, возбуждающего колебания земной поверхности, и приемного устройства, включающего датчик (что-то вроде граммофонного звукоснимателя), усилитель и наушники. Использование стандартных принципов частотной и амплитудной модуляции позволит выделить большое число каналов связи, а узкополосные фильтры отсеют посторонние шумы, вызванные землетрясениями и подземными ядерными взрывами. Дальность такой связи принципиально не ограничена, хотя для действительно дальней связи в качестве передатчика придется использовать некое подобие непрерывно модулируемого взрыва. Поэтому Дедал направляет свои усилия на создание системы связи ближнего радиуса действия, он уже разработал конструкцию приемопередающих ботинок, острорезонансные, чувствительные к колебаниям подметки которых соединяются со шлемофоном. Аппарат предполагается даже снабдить звоночком для оповещения о вызове. На Луне, где радиосвязь затруднена из-за отсутствия ионосферы и большой кривизны поверхности, эта система не будет иметь себе равных.

New Scientist, January 8, 1970

Из записной книжки Дедала

Изотропные сейсмические волны, распространяясь в объеме Земли, затухают пропорционально квадрату расстояния. Рэлеевские поверхностные волны, распространяющиеся, подобно морским волнам, вдоль поверхности твердого тела, затухают пропорционально расстоянию в первой степени и поэтому, вероятно, более пригодны для наших целей. (По всей видимости, именно благодаря рэлеевским волнам индеец, припавший ухом к земле, слышит топот коней приближающегося неприятеля.) Скорость распространения поверхностных волн составляет примерно 90 % скорости распространения сдвиговых возмущений (скажем, 3 км/с в граните), так что время прохождения сигнала не слишком велико. Для возбуждения поверхностных волн подметка ботинка должна колебаться наклонно, а не перпендикулярно к поверхности Земли. В качестве передатчика изобретенные Дедалом ботинки обладают немаловажным достоинством: масса и звукопоглощающее свойство человеческого тела способствуют тому, что основная доля энергии колебаний направляется вниз, в землю. Однако их использование в качестве приемника, наверное, будет затруднено наличием скрипа и прочих шумов, исходящих от владельца. Поэтому, быть может, есть смысл использовать для приема трость, соединенную проводом со шлемофоном. Пьезоэлектрическим преобразователям следует отдать предпочтение перед электромагнитными: они легче, проще по конструкции, надежнее и, кроме того, лучше приспособлены для возбуждения поперечных колебаний. Для работы в режиме передачи потребуется надежный источник питания, способный давать высокое напряжение.

Комментарий Дедала

С этим проектом фирма КОШМАР потерпела полное фиаско. Вскоре после появления нашей заметки мне попалась статья К. Икрата и У. Шнайдера «Связь при помощи сейсмических волн с использованием резонансных сейсмопреобразователей на частоте 80 Гц» (IEEE Transactions, COM-16(3), June 1968, p. 439). Сотрудники электронного подразделения армии США, используя электромагнитные преобразователи мощностью 10 и 200 Вт, показали возможность передачи сигналов на расстояние до 1 км. В основном они возбуждали, по-видимому, изотропные сейсмические возмущения; исключение составляют несколько интересных опытов, проведенных на льду озера, в ходе которых удавалось возбудить изгибные моды колебаний льда, распространяющиеся вдоль поверхности с малыми потерями. Иногда, однако, возбуждались также связанные колебания прилегающего слоя воздуха. В одном эксперименте удалось осуществить передачу колебаний льда и воздуха в связанном режиме. «Отчетливо слышимый треск, похожий на шум ломающегося льда, заставил команду ретироваться на берег», – пишут авторы статьи.

По морям, по волнам

Дедал размышляет о судах, представляющих новое поколение водных транспортных средств: глиссерах, судах на подводных крыльях и воздушной подушке. Хотя эти аппараты при движении испытывают гораздо меньшее сопротивление, чем обычные суда, их предельная скорость существенно ограничена (если не считать аппаратов на воздушной подушке). Типичное подводное крыло, подобно водной лыже, представляет собой в профиле дугу окружности, пересекающую поверхность воды; Дедал предлагает достроить эту дугу до полной окружности и получить большое колесо. Благодаря своему профилю такое колесо при движении по воде будет создавать подъемную силу; в то же время, поскольку колесо вращается, сопротивление окажется ничтожно малым. По проекту Дедала, судно устанавливается на четырех больших цилиндрах. Неподвижное судно удерживается на плаву благодаря выталкивающей силе, которую создают частично погруженные цилиндры; при движении же цилиндры выходят из воды. Движителем может служить обычный винт, но можно также снабдить цилиндры небольшими лопастями и вращать их от судового двигателя. Такое судно, подобно аппарату на воздушной подушке, при разгрузке может выходить на берег. Однако, чтобы обеспечить возможность движения в штормовую погоду, цилиндры, по-видимому, придется делать очень большими в диаметре. Из-за этого, вероятно, всему судну придется придать вид гигантского барабана, внутри которого находится двигательная установка и прочее. Можно использовать и нечто вроде гусениц танков, профиль которых следует подобрать таким, чтобы снизить до минимума гидродинамическое сопротивление. Дедал сомневается, удастся ли управлять таким судном при помощи обычного подводного руля, – возможно, при повороте придется притормаживать гусеницы или вращающиеся цилиндры по одному борту. Во всяком случае, такое судно в отличие от судов всех прочих типов не будет обрастать морскими организмами в подводной части: центробежная сила будет сбрасывать этих «прилипал».

New Scientist, March 10, 1966

Комментарий Дедала

Не прошло и года после опубликования этой заметки, как американцы и русские выступили с аналогичными проектами. New Scientist опубликовал сообщения об этих разработках (см. ниже), а также чертежи американского судна (см. рис.), которые вполне могли бы быть взяты из моей записной книжки. Поэтому я хочу напомнить читателю, что мой проект был опубликован раньше.

New Scientist, June 16, 1966, p. 706:

США. БЕГУЩИЙ ПО ВОЛНАМ

В мартовском номере журнала New Scientist (29, p. 638) Дедал размышлял о судах, представляющих новое поколение водных транспортных средств, и пришел к мысли, что наилучшим видом водного транспорта будет судно, способное «бежать» по воде. Патент, описанный в обзоре разработок ВМС США, показывает, что Дедал был не так уж далек от истины.

В патенте, выданном Б. Шепарду, сотруднику Военно-морской оружейной лаборатории в Уайт-Оук (шт. Мэриленд), описывается аппарат, движущийся но воде на гусеницах, подобно тому как танк движется по земле. Ширина ленты, приводящей аппарат в движение, равна ширине судна; лента проходит от носа до кормы и опирается на ролики, установленные под днищем.

Когда лента, а стало быть, и судно, движется с небольшой скоростью, корпус судна погружен в воду. Однако с увеличением скорости судно почти или полностью выходит на поверхность воды. Основное достоинство этой конструкции состоит в значительном уменьшении гидродинамического сопротивления при движении с большой скоростью.

По существу, судно движется вперед, в то время как лента по отношению к поверхности воды движется назад.

Для обеспечения максимальной тяги и подъемной силы на всех режимах движения бесконечная лента всегда движется параллельно поверхности воды. Эту задачу не удавалось решить в прежних конструкциях аналогичных судов. В данной конструкции применена пара подвижных роликов, установленных в носовой части, которые позволяют менять угол атаки в широких пределах. Изобретение предусматривает также установку в кормовой части ролика небольшого диаметра, способствующего отрыву потока воды от ленты, а также использование устройства, предотвращающего засасывание воды под днище.

«Бегущий по волнам». (С разрешения журнала. New Scientist.)

New Scientist, July 13, 1967, p. 78:

СССР. НА КОЛЕСАХ ПО ОКЕАНСКИМ ПРОСТОРАМ

Проводятся испытания нового судна, которое вполне может стать конкурентом как судов на подводных крыльях, так и аппаратов на воздушной подушке. В конструкции используются вращающиеся цилиндры, установленные по обоим бортам на носу и корме судна, которые не только приводят судно в движение, но и создают подъемную силу, так что судно практически не касается воды. В результате гидродинамическое сопротивление существенно уменьшается, что позволяет судну двигаться с большой скоростью. Судя по всему, максимальный кпд достигается при скорости в 75 узлов.

Новое применение эффекта Магнуса было предложено советским инженером Виктором Подорвановым на основании ряда экспериментов по определению подъемной силы, создаваемой вращающимися цилиндрами разного диаметра при различных скоростях вращения и поступательного перемещения. В ходе этих экспериментов была получена точная информация относительно затрат мощности, необходимых для достижения желаемого эффекта. Обращает на себя внимание также тот факт, что подобное судно не создает килевой волны.

Опытный образец судна имеет два больших цилиндра, установленных с обоих бортов в носовой части, и два цилиндра поменьше – в кормовой части. Все четыре цилиндра приводятся в движение одним двигателем посредством гидравлической передачи. В начальный момент все цилиндры частично погружены в воду. Но по мере того, как судно набирает скорость, цилиндры поднимают его корпус все выше над водой – в конце концов корабль практически отрывается от воды и начинает перемещаться скачками. Поэтому его приходится снабжать вертикальным килем-стабилизатором и воздушным рулем, как у самолета. Да и весь корпус судна напоминает по своим очертаниям скорее самолет, чем корабль.

В настоящее время проводятся морские испытания с целью проверить, как такое судно справляется с волнами. Уже получены некоторые данные относительно эффективности подобного способа передвижения, и разработчики утверждают, что затраты мощности «существенно меньше», чем в случае судна таких же размеров на подводных крыльях. При скорости в 60 узлов цилиндры едва касаются воды, а в промежутках между касаниями судно полностью находится в воздухе. Утверждается, что достигнутая крейсерская скорость в 75 узлов может быть удвоена и даже утроена за счет усовершенствования профиля цилиндров и повышения скорости их вращения.

Если испытания докажут работоспособность конструкции, то такое судно способно конкурировать с аппаратами на воздушной подушке, поскольку оно способно перемещаться и по воде, и по суше. Благодаря цилиндрам такой корабль сможет выкатываться на берег или подниматься по наклонному слипу, а если на цилиндры надеть резиновые шины, то и ездить по дорогам. Этому судну не страшны также бревна-топляки и прочие плавучие предметы, поскольку цилиндры свободно перекатываются над ними. Конструкция запатентована (авт. свид. СССР № 184 641, выд. В. П. Подорванову; опубл. «Бюллетень изобретений», 1966, № 15. – Ред.).