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 схлопиваются кавитаційнні 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), хоча і набагато більш повільно. Це доводить, що крім фактора хімічної агресивності газів, що знаходяться в бульбашках, важливим є також фактор закидань тиску, що виникають при схлопуванні бульбашок. Кавітація веде до великого зносу робочих органів і може значно скоротити термін служби гвинта і насоса. У метрології, при використанні ультразвукових витратомірів, кавитаційнні бульбашки модулюють хвилі, що випромінюються витратоміром, що призводить до спотворення його показань.

Використання кавітації

Хоча кавітація небажана в багатьох випадках, є винятки. Наприклад, суперкавітаційні торпеди, які використовуються військовими, обволікаються у великі кавитаційнні 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 кавитаційнні бульбашки переміщуються в протилежну сторону, щоб викликати імплозію стеліту або навіть полікристалічного алмаза (PCD). Також були розроблені кавитаційнні водні пристрої очищення, в яких граничні умови кавітації можуть знищити забруднюючі речовини і органічні молекули. Спектральний аналіз світла, що випускається в результаті сонохіміческой реакції, показує хімічні та плазмові базові механізми енергетичної передачі. Світло, яке випромінюється кавітаційними бульбашками, називається сонолюмінесценція. 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 меньшій 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 Архимеда, 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 опору видовжених осесиметричних високошвидкісних тіл//Прикладна гідромеханіка. 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 .

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.

Торпеда "Барракуда"

Німецька суперкавітаційна торпеда

Суперкавітаційних 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

Недоліки

-Через величезну швидкість торпеда створює сильний шух, 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

Литература

• 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.