Рух підводного човна шляхом суперкавітації для науки
Торпеди рухаються під водою зі швидкістю кілька сотень кілометрів на годину в потоці газових бульбашок, що значно зменшує тертя рідини про метал.
Серпень 2000 р., Баренцеве море, Норвегія: російська підводний човен «Курськ К-141» затонув після двох вибухів, що потрошили корпус корабля; ходять чутки, що аварія сталася внаслідок випробувань, проведених на новому типі надшвидкої торпеди. Кілька місяців тому американський бізнесмен Едмонд Поуп був заарештований і звинувачений у шпигунстві; він би спробував придбати плани щодо нової підводної зброї. Подробиці як аварії, так і шпигунської справи невідомі, але, як вважають, обидві пов’язані з розробкою новаторської техніки, яка дозволила б зброї та підводним човнам врятуватися. ніж звук у воді. Сьогодні максимальна швидкість не перевищує 130 кілометрів на годину.
Всі основні військово-морські держави, здається, розробляють такі види надшвидкої зброї та підводних човнів, засновані на явищі суперкавітації, яке відбувається, коли об'єкт занурюється в швидкий потік рідини. Навколо утворюються бульбашки газу, що зменшує тертя, оскільки рідина майже не змочує предмет. Системи суперкавітації - це стрибок у морському бою, порівнянний із тим, що сталося в повітрі, коли реактивні літаки замінили гвинтові літаки.
Хоча кошти, що виділяються на дослідження суперкавітації, офіційно невеликі, перелік потенційної зброї та військових кораблів на основі суперкавітації довгий. Сюди входять підводні кулі, призначені для підриву мін, катерів, навіть літаків з низьким польотом або вертольотів; протикорабельні та протиторпедні торпеди; широкомасштабна зброя, метою якої є припинення бійки між двома підводними човнами; невеликі надшвидкі надводні судна і, нарешті, ракети-ядерні підводні човни, призначені для нейтралізації цілої морської повітряної флотилії.
Застосування суперкавітації може суттєво змінити військову стратегію. Деякі експерти ВМС США розглядають це як кінець класичного бою на підводному човні, де два кораблі грали в кота і мишу: майбутні зіткнення були б більше схожі на повітряний бій, з невеликими, швидкими та галасливими підрозділами, що запускаються, як винищувачі, на авіаносцях гігантською "підводним човном" перевізники ". Така зброя буде ефективною проти системи протиракетної оборони за програмою США "зоряні війни". Багатоступінчаста дальнобійна суперкавітаційна торпеда або ракета, оснащена ядерними боєголовками, буде вистрілена під водою, виконати тривалий підводний курс, а потім вийти з прибережних вод поблизу цілі без систем захисту. Повітря або космос встигають реагувати.
Ми знаємо, що суперкавітаційна зброя - принаймні - існує вже багато років. У 1977 році, після більш ніж десятиліття досліджень і розробок, радянський флот додав до свого арсеналу торпеду з ракетним двигуном під назвою Squale, яка рухається по воді зі швидкістю більше 360 кілометрів на годину всередині газової порожнини, що виробляється сама ракета. Хоча ця ракета-підводник, що працює на ядерній енергії, є елементарною та має обмежену ефективність, відкриття її існування на початку 1990-х змусило західні військові держави зацікавитись суперкавітацією.
Цивільна влада також зацікавлена в цьому і знає, що реалізовувати проекти суперкавітаційних автомобілів можна лише вирішуючи всі технічні та екологічні труднощі. і фінансові, не кажучи вже про проблеми, які це може створити для навігації. Сьогодні техніка все ще перебуває в зародковому стані, на тому етапі, коли була авіація, сто років тому, після перших польотів на двовинтовому літаку братів Райт, до такого, що ми знаємо фізику суперкавітації краще, ніж ми тоді знав аеродинаміку.
Подорож у міхурі
Рух предмета через воду - як бачив будь-який плавець - вимагає значних зусиль. Тертя там у 1000 разів більше, ніж у повітрі, і сила тертя зростає зі швидкістю. Для того, щоб човни ефективно нарізали лопаті, архітектори та морські інженери оснащують судна гідродинамічними корпусами та потужними двигунами. Суперкавітація - це засіб зменшення тертя води шляхом огортання зануреного об'єкта в бульбашку газу низької щільності.
Коли рідина швидко рухається навколо предмета, її тиск зменшується в певних місцях, особливо в кутах і краях предмета. Зі збільшенням швидкості тиск потоку досягає тиску насиченої пари води, і рідина зазнає фазової зміни: вода перетворюється на водяну пару. Іншими словами, коли тиск занадто низький, щоб забезпечити їх зчеплення, молекули рідкої води розсіюються, щоб перейти в стан газу. Це явище кавітації. Для кораблів кавітація - це чума. Він створює вихори навколо корабля, які порушують потік води та роботу насосів, турбін, гвинтів та підводних крил (занурені плавучі човни, які піднімаються зі швидкістю). Кавітація також породжує, коли бульбашки газу зникають (у рідині бульбашки газу не лопаються, як мильні бульбашки в повітрі, а руйнуються самі по собі), сильні ударні хвилі, які спотворюють і розмивають корпуси.
Суперкавітація - це надзвичайна кавітація, коли єдиний міхур оточує весь рухомий об’єкт. При швидкості понад 180 кілометрів на годину кавітатори із закругленим наконечником та системи впорскування газу, розміщені перед об'єктом, утворюють такі кишені газу низької щільності - надпорожнини. Коли об'єкт витягнутий і має вісь симетрії, надпорожнина має еліпсоїдну форму спереду і більш звужена до тилу; його довжина залежить від швидкості. Еліпсоїдна порожнина закривається під впливом тиску навколишнього середовища в зоні, що характеризується складним і нестійким потоком. Складно моделювати потік у цій турбулентній області і навіть у всій порожнині, оскільки там тиск не є постійним. У будь-якому випадку, поки вода лише торкається кавітатора, машини суперкавітації обертаються всередині газового міхура з мінімальним тертям від рідини.
ВМС США вперше зацікавився суперкавітацією на початку 1950-х років для розробки високошвидкісних гвинтів та підводних крил, потім звернувся до інших, більш тихих технік, віддаючи перевагу стелс-кораблям надшвидким кораблям. Сьогодні у неї не було б зброї суперкавітації, і вона намагається наздогнати аванс, досягнутий російським флотом у частині снарядів і торпед.
Система рамічних засобів, система повітряного розмінування, - це вертолітна зброя, здатна знищувати надводні або приповерхневі міни кулями суперкавітації. Експериментальні снаряди діаметром 20 міліметрів призначені для стабільної траєкторії руху як у повітрі, так і у воді; вони стріляють із скорострільної гармати, обладнаної складною системою прицілювання. ВМС США планують розмістити на палубах кораблів пристосовану зброю рамічного типу для знищення торпед, які маскуються після будівель.
Наступною зброєю, що вистрілює суперкавітаційними снарядами, буде повністю підводна система, ahsum, високошвидкісні, адаптовані, підводні боєприпаси. Кулі будуть вистрілюватися з контурних башточок, розміщених на занурених корпусах підводних човнів, надводних кораблів або буксируваних протимінних плотів. Очікується, що контрольована ехолотами версія системи Ahsum буде підводним еквівалентом системи озброєння "Фаланга", швидкострільної радіолокаційної гармати, яка захищає надводні судна від крилатих ракет.
Також вивчається торпеда, яка може досягати 370 кілометрів на годину. Цей тип торпеди створює технічні труднощі щодо запуску, гідродинамічної та акустичної поведінки, керування та управління та, нарешті, руху. Для імітації потоку води навколо торпеди потрібно враховувати двофазний режим потоку, де вода та газ співіснують. Ми намагаємося зрозуміти, як тече вода, як виглядає газова порожнина, і переконатися, що торпеда весь час залишається всередині порожнини. Якщо колись порожнину порушується, поверхня, що контактує з водою, збільшується і швидкість раптово зменшується.
Російська підводна ракета Squale - найкращий представник пристроїв суперкавітації першого покоління. Його довжина становить вісім метрів, важить близько 2700 кілограмів, і була розроблена в Українському гідромеханічному інституті в Києві, де було розроблено більшість принципів суперкавітаційної зброї.
Зброя складається з конічної циліндричної оболонки спереду (див. Малюнок 2), де знаходиться бойова частина; ззаду розташований ракетний двигун, з якого виступає сопла. Навколо сопла розташовано вісім маленьких циліндрів; це, мабуть, невеликі стартові ракети, які прискорюють Squale до швидкості суперкавітації. Розташована між двома циліндрами, котушка напрямної дроту буде розкручуватися в міру просування торпеди по воді. Цей провід дозволив би операторам контролювати детонацію боєголовки.
У передній частині сквелу ніс виконував роль кавітатора. Ми уявляємо його плоским, круглим або еліптичним. Це найважливіша частина, оскільки вона створює газову порожнину, в якій рухається машина. Розрізаний скосом кавітатор також генерує силу підйому, яка підтримує передню частину машини. Щоб межа між водою і газом була якомога турбулентнішою, край кавітатора повинен бути гострим. Безпосередньо за кавітатором кілька вентиляційних каналів круглої форми впорскують вихлопні гази ракети та пар в кавітаційний міхур, щоб збільшити його. Близько двох третин своєї довжини, чотири циліндри з нахилом назад, кріпляться до фюзеляжу за допомогою пружин. Ці циліндри, схожі на елерони, підтримують задню частину торпеди, відбиваючи її від внутрішньої поверхні порожнини. Зафіксувавши передню, а задню рикошет від внутрішньої стінки, Сквел тоді зазнавав би повільного прецесійного руху по колу порожнини, оскільки торпеда прокладала собі шлях через воду.
Шквал трохи рудиментарний, оскільки він може поширюватися лише по прямій лінії. Наступні машини для суперкавітації будуть маневреними: вони зможуть змінювати напрямок завдяки пристроям управління рухом (виконавчим механізмам), таким як газові струмені або ребра, які пробивають стінку порожнини. Основна складність полягає в тому, щоб утримувати машину всередині порожнини під час поворотів, щоб уникнути удару об стінку води, яка могла б її розкласти. Можливо, транспортними засобами суперкавітації будуть маніпулювати за допомогою правильно скоординованих виконавчих механізмів: деформуючи порожнину в одну сторону, використовуючи шарнірний кавітаторний ніс або виконавчі механізми, буде створено бічну силу, яка рухатиме порожнину. Цього можна було б досягти, якщо рухи спереду і ззаду торпеди були скоординовані.
Частина цих проблем була б вирішена шляхом встановлення в режимі реального часу контуру управління, який враховував би умови порожнини в задній частині плавзасобу та вводив відповідні виправлення. Суперкавітаційні судна, що рухаються всередині бульбашок, підтримувані лише газом низької щільності, їх задня частина часто б’ється об стінки порожнини. Це явище ляскання хвоста спостерігається на всіх фотографіях, зроблених під час випробувань на високій швидкості пристроїв суперкавітації.
У майбутніх машинах переходу від нормального режиму тертя до режиму суперкавітації сприятиме аеродинамічна труба, яка забезпечить постійну присутність часткової порожнини, яку можна буде збільшувати за бажанням під час фаз прискорення. Таким чином, невелика природна порожнина, сформована спереду на низькій швидкості, буде перетворена в порожнину, що охоплює весь об'єкт.
Передові рушійні системи
Ракетні двигуни зазвичай використовуються для забезпечення необхідної тяги для руху суперкавітаційного судна, але вони не є досконалими: вони мають обмежений діапазон, а їх продуктивність зменшується в міру глибини і, отже, швидкості.
Автономність суперкавітаційної торпеди, що рухається на твердопаливному двигуні, становить лише кілька десятків кілометрів зі швидкістю
пік близько 700 кілометрів на годину. Випробування силових установок, заснованих на принципі дизельних двигунів, електродвигунів, атомних електростанцій та газових турбін, показали, що лише високоефективні газові турбіни та реактивні рушійні пристрої, що спалюють металеве паливо (алюміній, магній або літій) і використовують навколишню воду в якості обох окислювач палива та холодоагент продуктів згоряння мають достатню потужність для приведення в рух суперкавітаційних суден на високій швидкості.
Алюміній, який є відносно недорогим, є найбільш ефективним із цих металевих видів палива. Температура реакції досягає 10 600 ° С. В одному з проектів двигуна, що розглядається, тепло з камери згоряння буде використовуватися для плавлення алюмінієвої фольги при 675 ° C та випаровування морської води. Продукти згоряння обертатимуть лопаті турбіни.
Росіяни, схоже, вже мають такий пристрій. У США фізики з Пенсильванської лабораторії прикладних досліджень випробовують реактор певного типу - водяний реактивний струмінь, який спалює алюміній і використовується як резервний генератор на надводних кораблях. Порошкоподібний алюміній вводиться у вирій морської води, що утворюється у "вихровій камері згоряння"; під дією цих вихорів частинки алюмінію труться одна об одну, подрібнюючи плівку інертного оксиду алюмінію, який
покриває їх; настає інтенсивна екзотермічна реакція, коли алюміній окислюється; пара високого тиску, яка виникає внаслідок цього згоряння, приводить в рух корабель або розслабляючи в ракетному соплі, або рухаючи лопаттю турбіни.
Тести показують, що тяга, отримана цим типом турбіни, на 20 відсотків більша, ніж у ракетних двигунів. Оцінюється рушій для пристроїв суперкавітації, що складається з двох гвинтів, що обертаються в протилежних напрямках і досить довго, щоб досягти межі між газом і водою.
Незалежно від майбутнього зброї суперкавітації, вони вже мають такий вплив, що військові переглядають морські стратегії.
Нова зброя, нові загрози
Після того, як існування Сквале було виявлено, незабаром пішла дискусія щодо його можливого використання. За даними деяких західних джерел розвідки, він був розроблений, щоб дозволити старим і галасливим дизельним підводним човнам колишнього Радянського Союзу відповісти у разі нападу безшумних американських підводних човнів. Якби звичайну торпеду було запущено проти дизельного підводного човна, Squale було б запущено або для того, щоб перерізати напрямну торпеду, або знищити самого зловмисника; Сквале був би потенційним "вбивцею підводного човна", особливо якби він був оснащений ядерною тактичною бойовою частиною.
Ця ракета також може бути зброєю, призначеною для вибуху ядерного заряду більшої потужності в середині ворожої морської повітряної флотилії. Ніхто не має контрзаходу проти такої зброї.
Нещодавно, щоб поповнити державну скарбницю, Росія виставила Squale на продаж на міжнародних ярмарках зброї в Абу-Дабі та Афінах. Як повідомляється, кілька скверів продано Ірану.
У звіті 1998 року стверджувалося, що Казахстан продав близько 40 торпед "Сквел" Китаю, що турбує американців: у разі конфлікту в Тайванській протоці їхнім військовим силам може загрожувати Пекін. Згідно з інформацією китайського походження (що було б підтверджено з американського джерела), на борту "Курська К-141" знаходився офіцер ВМС Китаю, коли він затонув. Він прийшов засвідчити випробування нової версії Squale, більшої дальності. Кінець холодної війни, здається, не закінчив гонку озброєнь. Навколо Сквелу вирує шторм.
Філіп Хоу/Арл/Пенсільванія та РТО/НАТО