Суперкавітаційна торпеда

Кавітація (від лат. Cavitas – пустота) (рос. кавитация, англ. cavitation, нім. Blasenbildung f, Hohlsog m, Kavitation f, Hohlraumbildung f) – утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини.

Умови виникнення кавітації

Виникає в результаті місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення р_кр (в реальній рідині значення р_кр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація).

Негативний вплив кавітації

Робоче колесо насоса, пошкоджене кавітаційною корозією

Кавітаційні пошкодження гребного гвинта

Хімічна агресивність газів в бульбашках, які мають до того ж високу температуру, викликає ерозію матеріалів, з якими стикається рідина, в якій розвивається кавітація. Ця ерозія і становить один з факторів шкідливого впливу кавітації. Другий фактор обумовлений великими варіаціями тиску, що виникають при схлопуванні бульбашок і впливають на поверхні зазначених матеріалів. Тому кавітація в багатьох випадках небажана. Наприклад, вона викликає руйнування гребних гвинтів суден, робочих органів насосів, гідротурбін і т. п., кавітація викликає шум, вібрації та зниження ефективності роботи. Коли лускають кавітаційні бульбашки, енергія рідини зосереджується в дуже невеликих обсягах. Тим самим, утворюються місця підвищеної температури і виникають ударні хвилі, які є джерелами шуму. Шум, створюваний кавітацією, є особливою проблемою на підводних човнах (субмаринах), так як через шум їх можуть виявити. При руйнуванні каверн звільняється багато енергії, що може викликати ушкодження. Експерименти показали, що шкідливому, руйнівному впливу кавітації піддаються навіть хімічно інертні до кисню речовини (золото, скло тощо). Це доводить, що крім фактора хімічної агресивності газів, що знаходяться в бульбашках, важливим є також фактор закидань тиску, що виникають при лускані бульбашок. Кавітація веде до великого зносу робочих органів і може значно скоротити термін служби гвинта і насоса. У метрології, при використанні ультразвукових витратомірів, кавітаційні бульбашки модулюють хвилі, що випромінюються витратоміром, що призводить до спотворення його показань.

Використання кавітації

Хоча кавітація небажана в багатьох випадках, але є винятки. Наприклад, суперкавітаційні торпеди, які використовуються військовими, обволікаються у великі кавітаційні бульбашки. Істотно зменшуючи контакт з водою, ці торпеди можуть пересуватися значно швидше, ніж звичайні торпеди. Такі дослідження проводилися, наприклад, в Інституті гідромеханіки НАН України. [2] Кавітація використовується при ультразвуковому очищенні поверхонь твердих тіл. Спеціальні пристрої створюють кавітацію, використовуючи звукові хвилі в рідині. Кавітаційні бульбашки, лускаючи, породжують ударні хвилі, які руйнують частинки забруднень або відокремлюють їх від поверхні. Таким чином, знижується потреба в небезпечних і шкідливих для здоров'я миючих речовинах в багатьох промислових і комерційних процесах, де потрібна очистка як етап виробництва. У промисловості кавітація часто використовується для гомогенізації (змішування) і відсадження зважених частинок в колоїдному рідинному складі, наприклад, суміші фарб або молоці. Багато промислових змішувачів засновані на цьому принципі. Зазвичай це досягається завдяки конструкції гідротурбін або шляхом пропускання суміші через кільцеподібний отвір, який має вузький вхід і значно більший за розміром вихід: вимушене зменшення тиску призводить до кавітації, оскільки рідина прагне в бік більшого об'єму. Цей метод може управлятися гідравлічними пристроями, які контролюють розмір вхідного отвору, що дозволяє регулювати процес роботи в різних середовищах. Зовнішня сторона змішувальних клапанів, по якій кавітаційні бульбашки переміщуються в протилежну сторону, щоб викликати імплозію стеліту або навіть полікристалічного алмаза (PCD). Також були розроблені кавітаційні водні пристрої очищення, в яких граничні умови кавітації можуть знищити забруднюючі речовини і органічні молекули. Спектральний аналіз світла, що випускається в результаті сонохімічної реакції, показує хімічні та плазмові базові механізми енергетичної передачі. Світло, яке випромінюється кавітаційними бульбашками, називається сонолюмінесценцією. Кавітаційні процеси мають високу руйнівну силу, яку використовують для дроблення твердих речовин, які знаходяться в рідині. Одним із застосувань таких процесів є подрібнення твердих включень у важкі палива, що використовується для обробки котельного палива з метою збільшення калорійності його горіння. Кавітаційні пристрої знижують в'язкість вуглеводневого палива, що дозволяє знизити необхідний нагрів і збільшити дисперсність розпилення палива. Кавітаційні пристрої використовуються для створення водно-мазутних і водно-паливних емульсій та сумішей, які часто використовуються для підвищення ефективності горіння або утилізації обводнених видів палива.

Особливу роль кавітація відіграє в біомедицині, зокрема для дроблення каменів у нирках за допомогою ударної хвилі без хірургічного втручання. Кавітація використовується при ліпосакції (виведення жирових клітин) за допомогою ультразвуку для боротьби з жировими відкладеннями і целюлітом.

Суперкавітація

Суперкавітація-(від лат. Super — над, зверху; cavitas (cavitatis) — порожнина) — фундаментальне явище, притаманне рухові рідин, коли в них виникають достатньо великі порожнини . Розрізняють парову суперкавітацію (порожнина заповнена парами рідини і виникає за рахунок збільшення швидкості) та штучну (порожнина підтримується піддувом газу). Використовується для зменшення опору тертя та кавітаційної ерозії. Через велику різницю у густинах води і газу опір тертя на поверхнях, що не контактують з рідиною, може бути зменшений майже в 1000 разів. Використання газових порожнин запобігає колапсам парових бульбашок, зменшує небезпеку виникнення зон надвисокого тиску та ерозії.

Зменшення опору тертя

Опір тертя є пропорційним до динамічної в'язкості, а отже і до густини рідини, що обтікає тверду поверхню. Тому та частина корпусу, що контактує з газом, а не рідиною, матиме в сотні разів менший опір тертя. Ця ідея знайшла своє втілення у різних суперкавітаційних апаратах та суднах, досліджувалась вченими різних країн, зокрема, значним є внесок наших співвітчизників . Завдяки суперкавітації вдалося досягти надзвукових швидкостей у воді (більших 1450 м/с). Успішні запуски підводних надзвукових снарядів виконані в США та на "Швидкісній багатоцільовій гідродинамічній трубі" "Інституту гідромеханіки НАН України".

Розроблені в США суперкавітаційні снаряди RAMICS дозволяють знищувати міни на глибині до 45 м. Аналогічні системи використовуються в Німеччині (Heckler & Koch P11) та Росії (underwater firearms). Cуперкавітаційні технології застосовуються також в гарпунах для підводного полювання для збільшення дальності та стабільності руху. Дальність інерційного руху під довільним кутом до горизонту може бути збільшена за рахунок оптимізації форми корпусу та використання кавітаторів змінних розмірів Окрім, снарядів, що рухаються за інерцією, суперкавітація успішно використовується на високошвидкісних торпедах, зокрема на радянській «Шквал», німецькій «Barracuda» та іранській «Hoot» (Кит). Завдяки зменшенню опору тертя вдалося перевищити швидкість руху у воді 400 км/год. 2005 року американське агенство DARPA анонсувало «Програму підводного експресу» ('Underwater Express program'), що передбачає створення суперкавітуючого швидкісного підводного човна.

Разом з тим, кавітатор має великий опір тиску, що робить в деяких випадках суперкавітуючі апарати менш ефективними від традиційних, що обтікаються без відриву потоку . Іншим недоліком суперкавітуючих корпусів є дуже малі значення сили Архімеда, оскільки вони розташовані в газовій бульбашці, а не у воді. Для підтримання ваги таких апаратів використовують підводні крила або глісування по поверхні каверни, що в свою чергу вимагає додаткових витрат енергії і обмежує область застосування суперкавітації досить малими об'ємами корпусів. Разом з тим, кавітатор має великий опір тиску, що робить в деяких випадках суперкавітуючі апарати менш ефективними від традиційних, що обтікаються без відриву потоку.

Зменшення кавітаційної ерозії

Радіус парової кавітаційної бульбашки може зменшуватись до нуля в області підвищенного тиску, викликаючи дуже великі локальні стрибки тиску. Розміри газових бульбашок залишаються досить великими і не викликають таких значних стрибків тиску. Тому використання достатньо великих порожнин або піддуву газу зменшує ризик потрапляння дрібних бульбашок на тверді поверхні і запобігає ерозії. Використовується на підводних крилах високошвидкісних суден, на напівзанурених гвинтах, суперкавітуючих насосах тощо.

Суперкавітаційні боєприпаси «DSG MEA» норвезького виробництва

Суперкавітаційні боєприпаси

На минулому в 2011 році Симпозіумі NDIA, на якому було представлено системи стрілецької зброї піхоти, стенд з боєприпасами норвезької компанії DSG, що представляє боєприпаси для використання у 2-х середовищах, справив на всіх відвідувачів велике враження. Боєприпаси позиціонуються для використання у підводній гвинтівці військово-морських сил країн НАТО. Боєприпаси DSG можна застосовувати як над водою, так і під водою для ураження ближніх цілей. Для ведення підводної стрільби з подібної зброї по підводних і надводних об'єктам необхідно враховувати оптичне переломлення. Заявлена розробниками особливість боєприпасів - відсутність рикошету при вході у воду практично під будь-яким кутом, до 2-х градусів у неспокійній воді, до 7 градусів в нормальній воді. Куля боєприпасу не сходить з початкової повітряної траєкторії при вході у воду - стрілку потрібно лише врахувати оптичне переломлення. Представив стенд комерційний директор фірми-розробника, який ознайомив всіх бажаючих з усім представленим рядом суперкавітаційних боєприпасів - 5.56х45, 7.62х51, 12.7х99 мм. І хоча на стенді не було боєприпасів 8.6х70 і 8.58х70 мм, компанія-розробник, швидше за все, вже розробила їх, але з певних міркувань не представила на стенді. Такі боєприпаси досить популярні для снайперського застосування.

Були представлені боєприпаси наступних версій:

1. 5.56х45 мм зразка НАТО - забезпечений подвійним кавітаційним сердечником, з нормальною стабілізацією обертання в нарізах. Ефективність у воді до 15 метрів.

2. 7.62х51 мм зразка НАТО - забезпечений подвійним кавітаційним сердечником, з нормальною стабілізацією обертання в нарізах і другим бронебійним призначенням. Ефективність у воді до 25 метрів.

3. 12.7х99 мм зразка НАТО - забезпечений подвійним кавітаційним сердечником з нормальною стабілізацією обертання в нарізах і другим, що володіє вищою якістю виконання, тактичним призначенням, Ефективність у воді до 60 метрів.

Як повідомив комерційний директор, технологія виготовлення таких боєприпасів може бути застосована до боєприпасів до 127 мм (можливо, не точна інформація і малося на увазі калібр 12.7 мм). Дані розробки ведуться для флотських потреб. Наразі за програмою протичовнового захисту розробляються спецзасоби для знищення новітніх торпед. Такі засоби використовуватимуть калібр до 30 мм. На даний час боєприпаси 12.7х99 мм зразка НАТО збираються використовувати для озброєння підводних БПЛА - «UUV». Цей звичайний підводний БПЛА, озброєний подібним калібром, зможе виконувати завдання наступального і оборонного характеру. Дальність стрільби «UUV»-об'єкту під водою до 60 метрів і повітряних об'єктів до одного кілометра з глибини в 5 метрів.

Технологія «Defense & Security Group Multi Environment Ammunition» дає можливість зробити зі звичайних боєприпасів універсальні 2-середовищні боєприпаси з балістичними властивостями. Технологія вже домоглася світового статусу, адже боєприпаси можна використовувати і у звичайній зброї. Такі боєприпаси - це, без перебільшення, боєприпаси нового покоління, боєприпаси 21 століття, які можна використовувати як під водою, так і на воді, в прибережних територіях і в повітрі, для ураження підводних, надводних і повітряних цілей. У норвезькій компанії є декілька спеців зі світовим ім'ям з питань кавітації. Підтвердження цьому - заявки і патенти у даній сфері. Крім того, відомо про роботи науково-прикладного та дослідницького характеру з боєприпасами калібру до 155 мм. Результати робіт використовуються для створення кавітаційних снарядів і торпед, які теж можуть бути виконані як багатосередовищні боєприпаси. Це все дає можливість компанії працювати у галузі захисту і нападу надводних кораблів прибережної зони, протичовнової боротьби і підводних-надводних спецоперацій. Багато присутніх на NDIA-2011 в силу специфіки застосування таких боєприпасів виявляли до нього підвищений інтерес у рамках вивчення новітніх технологій.

Основні властивості:

- Підвищені властивості зупиняючої дії - суперкавітація;

- Можливість застосування у воді і в повітрі;

- Максимальні проникаючі властивості - відсутність рикошету;

- Можливості стрільби: повітря / вода / під водою - підводна ціль, повітря / вода / під водою - повітряна ціль;

Основні характеристики:

- Початкова швидкість кулі - 600-900 м/с;

- Дальність дії повітря - від 0.8 до 2 кілометрів;

- Дальність дії під водою - від 10 до 60 метрів;

- Виконання стандарт, бронебійний, суперснайпер (повітря), кавітаційний, суперкавітаційний.

Торпеда "Барракуда"

Німецька суперкавітаційна торпеда

Суперкавітаційна торпеда Барракуда була розроблена фірмою Diehl BGT Defence і призначена для ураження або знищення підводних цілей.

В основі дії торпеди покладений той же принцип, що і в радянській торпеді «Шквал (швидкісна підводний ракета)», а саме створення кавітаційного міхура і рух у ньому. Єдина відмінність між торпедою «Шквал» і суперкавітаційною полягає в тому, що остання є керованою.

Суперкавітаційна торпеда Барракуда здатна розвивати швидкість більше 400 км / год. Швидкість руху безпосередньо залежить від щільності води, у якій переміщається торпеда. Конструкція суперкавітацінной торпеди «Баракуда» включає в себе наступні частини:

• Твердопаливний ракетний двигун;
• Інерційний вимірювальний пристрій;
• Автопілот;
• Конічний наконечник.

Інерційний вимірювальний пристрій і автопілот виконують функції стабілізації торпеди.

В даний час близько десятка досвідчених зразків підводної ракети були виготовлені і успішно випробувані. Суперкавітаційну торпеду Барракуда можна використовувати як з підводних човнів, так і з надводних кораблів.

Торпеда "Шквал"

Російська суперкавітаційна торпеда

Калібр 533,4 мм Довжина 8 метрів Вага торпеди 2700 кг Потужність боєголовки 150 кТ в ядерному варіанті або 210 кг звичайного ВВ Маршова швидкість 350 км / год

Підводна ракета "Шквал" здатна розвивати швидкість до 200 вузлів (близько 100 метрів в секунду) і вкрай ефективна в боротьбі з надводними і підводними кораблями. Вона створена на науково-виробничому підприємстві "Регіон" у Санкт-Петербурзі. . Ракета вистрілюється, виходить на оптимальну глибину і включає двигуни. Головки самонаведення у підводної ракети немає, вона реалізує ту програму, яка закладена в бортовий комп'ютер. Тому "Шквал" вважається абсолютно захищеною від перешкод.

Ракета компактна, що дозволяє заряджати її в торпедні апарати підводних човнів. В умовах майже повної відсутності оборонного замовлення з боку Міністерства оборони Росії, на НВП "Регіон" створений експортний варіант підводної ракети - "Шквал-Е", який вже дозволений для експорту і до якого багато країн виявили величезний інтерес, повідомив представник адміністрації підприємства.

Недоліки

-Через величезну швидкість торпеда створює сильний шум, що може викликати поломку сонара підводного човна, крім того носова частина торпеди не дозволяє встановити на неї головку самонаведення (ГСН)

-Низька ймовірність ураження цілі зі звичайною БЧ і без ГСН

-Мала дальність пуска демаскує підводний човен, що негативно сказується на живучості

Військовий корабель "GHOST"

Корабель "Привид на плаву"

Корабель "Привид"

Що вийде, якщо схрестити реактивний винищувач-невидимку з бойовим вертольотом і спустити це все на воду? Згідно з представниками компанії Juliet Marine Systems (JMS) з Нью-Хемпшира, вийде саме судно GHOST, яке є секретною розробкою компанії, виконаної на замовлення американського флоту. За наявною інформацією судно GHOST невидиме для радарів ворожих судів, воно більш швидке і ефективніше, ніж існуючі швидкохідні катери. І судно GHOST є першим в світі судном, що рухається за допомогою ефекту суперкавітаціі. Явище суперкавітаціі полягає в обволіканні предмета, що рухається під водою, газовим міхуром, що дозволять значно знизити тертя об воду. У разі судна GHOST, предметами, які обволікаються міхуром, є дві сигароподібні труби, закріплені на кінцях "крил" цього незвичайного човна, що рухається за допомогою реактивного двигуна. Покриття підводних труб має спеціальну поверхню, що сприяє посиленому прояву явища квітаціі. Таким чином виходить, що при русі ці труби повністю покриті тонкою плівкою водяної пари.

Сама компанія JMS позиціонує судно GHOST як "гібридний човен-літак, що летить в газовому середовищі, штучно створене під водою, що дозволяє в 900 разів зменшити тертя об воду". Виходячи з такого формулювання, важко сказати, 900 разів - це вже реально досягнутий результат, чи це те, до чого просто прагнуть фахівці компанії?

Судно GHOST має екіпаж з трьох осіб. Основним його призначенням є патрулювання акваторії периметра флоту, що рухається в море або стоїть на рейді. Так само компанія JMS збирається продавати суду GHOST як засіб захисту комерційних суден від нападів морських піратів. Судно може нести кілька тонн різних озброєнь, включаючи торпеди Mark 48, а системи управління озброєнням дозволяють відслідковувати і вести вогонь відразу за декількома цілям. Крім усього іншого судно GHOST може служити для скритного транспортування та висадки спецпідрозділів на ворожий берег, а в цивільній області таке судно може стати транспортом, швидко доставляє людей і вантажі до об'єктів, що знаходяться у відкритому морі, наприклад, нафтовим платформам.

Література

• Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. пер. с англ. М.: Мир, 1964. 466с.]
• Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. : ГИТТЛ, 1951. 200с.
• Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. Мир, 1974. 678 с.
• Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. : Наука, 1978. 280c.
• Левковский Ю. Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1977. 222с.
• Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с.
• Пирсол И. Кавитация. М.: Мир, 1975. 95с.]
• Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с.
• Рождественский В. В.
• Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов).Ч.1. — К.: Полиграфкнига, 1997. — 940 с.