Под водой со скоростью 300 км/час?

Периодически появляются описания непонятных объектов движущихся под водой со скоростью более 300 км/час. В результате появляются рассуждения о чудесах, сверхестественном. Но ничего сверхестественного в этом нет.

Кавитация.

О кавитации в Wikipedia пишут:

При движении струи жидкости с ростом ее скорости падает местное давление ниже порогового и образуются паро-газовые полости. При попадании такого кавитационного пузыря в область где давление выше порогового он схлопывается и образует ударную волну.

Число кавитации

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

где:

P — гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P_s — давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

ρ — плотность среды, кг/м³;

V — скорость потока на входе в систему, м/с.

Как уже говорилось выше, кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V_c, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Χ можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный — сплошной (однофазный) поток при Χ>1,
• кавитационный — (двухфазный) поток при Χ~1,
• пленочный — с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Χ< 1,
• суперкавитационный — при Χ<<1.

Результат работы кавитации

Кавитация работает в промышленности в системах ультразвуковой очистки деталей от загрязнений.

Общеизвестно, что проявление кавитации имеет отрицательный эффект. Она разрушает поверхность узлов находящихся в контакте с кавитирующим потоком. Известно применение кавитации в военной технике.

Ранее разработки в области сверхкавитации применялись при создании оружия:

 - Это Российская подводная ракета "Шквал" способна развивать скорость до 200 узлов (около 100 метров в секунду) и крайне эффективна в борьбе с надводными и подводными кораблями.

 - Германской антиторпедной ракеты Barracuda с подводной скоростью движения 200 узлов и выше, а также,

 - новой иранской торпеды.

 - В США была создана авиационная система быстрого разминирования Rapid Airborne Mine Clearance System, в которой вертолет отстреливал сверхкавитационные снаряды.

 - Известны также специализированное личное оружие для подводной стрельбы – автомат Симонова АПС и подводный пистолет Heckler & Koch P11, которые стреляют стальными стрелами и используют эффект сверхкавитации.

 

Кавитационная "Ракето-торпеда"

 

 

Факторы сдерживающие применение кавитации и суперкавитации

Еще в декабре 2006 появилось сообщение:

Но, прошло более 5лет, пока об результатах этой работы неизвестно. Хотя при малейшем успехе у американских компаний звон стоит изрядный.

Попробуем разобраться

Движение под водой в суперкавитационной паро-газовой оболочке снижает гидродинамическое сопротивление движению, за счет создания оптимального обтекания и снижения трения на границе раздела жидкость - паро-газовая оболочка.

Физика явления кавитации и суперкавитации говорит: - "нет проблем в достижении и применении этих эффектов, надо просто разогнать подводную лодку до скорости более 75 - 100 км/час".

Так ли это просто?

Практика показывает, что для достижения подводной лодкой скорости 30 узлов, в зависимости от ее размеров (лобового сопротивления), массы и других параметров, требуется мощность привода ходовых винтов более 35000 л.с. (35000 - 200000 л.с.). Для достижения скорости выхода на суперкавитационный режим нужна многократно большая мощность (более 10 раз).

Правда с помощью создания искусственной парогазовой оболочки можно снизить требуемое увеличение мощности энергоустановки для выхода на кавитационный до 3-5 раз.

Сопротивление движению в режиме суперкавитации снижается на 70% по сравнению с сопротивлением движению на той же скорости без паро-газовой суперкавитационной оболочки.

Но все равно, для современных АПЛ и аппаратов подобного водоизмещения (подводных танкеров), это мощности 100 - 1000 тыс. л.с.

Проблемы

Есть несколько проблем маячащих на горизонте при создании суперкавитационных скоростных подводных аппаратов.

Первая проблема

Это мощность двигательной установки.

Для достижения скоростей необходимых для выхода на скорости необходимые для перехода в кавитационный режим необходимы мощности многократно превосходящие мощности современных подводных аппаратов.

Поскольку технический прогресс идет в направлении увеличения мощности двигательных установок транспортных средств, можно предположить, что решение этой проблемы нас ожидает в близком будущем.

Вторая и наиболее важная проблема

Это движитель подводного аппарата движущегося в суперкавитационном режиме.

Та самая сверх кавитационная паро-газовая оболочка, которая помогает выходу подводного аппарата на сверхскоростной режим движения лишает его возможности отталкиваться от среды и двигаться. Поскольку винт оптимизированный для движения в воде попадая в воздушную (паро-газовую) среду почти полностью теряет свою тягу (работает в газовой среде), применение винта, как движителя, не допустимо.

Да и сам винт (его поверхности расположенные на максимальном расстоянии от оси его вращения) имеет линейную скорость приближающуюся к скоростям при которых возникает кавитация и не может служить движителем подводных аппаратов.

Из имеющихся сейчас движителей, только ракетный может работать при движении подводного аппарата в суперкавитационном режиме. Он и используется в существующих моделях таких подводных аппаратов - например ракетной торпеде Шквал.

Получается, что для движения в водной среде в суперкавитационном режиме нужен движитель с тягой создаваемой без взаимодействия с окружающей средой. пока таких двигателей нет.

Третья проблема

Управление подводным аппаратом движущимся в суперкавитационной каверне.

Та самая паро-газовая каверна, которая позволяет двигаться с огромными скоростями под водой лишает подводный аппарат связи со средой и воздействия на нее для создания управляющих движением моментов.

Получается для управления движением в нашем случае нужен управляемый вектор тяги. Управляемый вектор тяги известен и применяется в современной авиации и ракетной технике.

И самое последнее

Наличие в этом режиме движения среды многократно меняющейся плотности (твердая поверхность аппарата -> паро-газовая каверна -> плотная водная среда) не позволяет, при существующем уровне развития техники, поддерживать связь, контролировать курс и окружающее пространство, управлять аппаратом.

Так можно ли создать подводные аппараты со скоростью самолета?

Смею утверждать - можно!

Но, самое главное, для этого надо этого энергетическая установка с мощностью по крайней мере на порядок - несколько большей существующих. И возможно еще на порядок большими мощностями двигательной установки для обеспечения требуемой управляемости - ведь законы физики отменить нельзя.

Не менее важно, чтобы они имели  движитель нового уровня, работающий без механического контакта с внешней средой, а для обеспечения управления подводным аппаратом движущимся в режиме сверхкавитации он должен иметь управляемый вектор тяги. И вполне возможно это совсем не движитель построенный на принципе реактивной тяги.

Вам это ничего не напоминает?

Одно можно сказать торпеда это реальность, а подводный обитаемый (да и автомат тоже) аппарат продолжительность плавания которого измеряется часами и сутками - это дело не года - пяти, а существенно более дальних времен.

И что самое главное, такие подводные аппараты смертельно опасны для всего живого на их пути!

А.Сорокин,

апрель 2011

Ссылки:

1. Пентагон разрабатывает быструю как самолет подводную лодку,

2. Кавитация http://ru.wikipedia.org/

3. Российская ракета-торпеда "Шквал"