Tengeralattjáró meghajtása szuperkavitációval a Science számára
A torpedók több száz kilométer per órás sebességgel mozognak a víz alatt gázbuborékok áramlásában, ami jelentősen csökkenti a folyadék súrlódását a fémen.
2000. augusztus, Barents-tenger, Norvégia: a Kursk K-141 orosz tengeralattjáró elsüllyed, miután két robbanás kibelezte a hajótestet; úgy hírlik, hogy a balesetet egy új típusú, ultragyors torpedóval végzett tesztek okozták. Néhány hónappal korábban letartóztattak egy amerikai üzletembert, Edmond Pope-ot, akit kémkedéssel vádoltak meg; megpróbálta megszerezni az új víz alatti fegyverek terveit. Mind a baleset, mind a kémügy részletei nem ismertek, de úgy gondolják, hogy mindkettő összekapcsolódik egy úttörő technika kifejlesztésével, amely lehetővé tenné a fegyverek és a tengeralattjárók elmenekülését. mint hang a vízben. Ma a maximális sebesség nem haladja meg a 130 kilométer/órát.
Úgy tűnik, hogy a fő haditengerészeti hatalmak mind ilyen típusú ultragyors fegyvereket és tengeralattjárókat fejlesztenek, a szuperkavitációs jelenség alapján, amely akkor fordul elő, amikor egy tárgyat gyors folyadékáramba merítenek. Körülbelül gázbuborékok képződnek, ami csökkenti a súrlódást, mivel a folyadék alig nedvesíti meg a tárgyat. A szuperkavitációs rendszerek ugrásszerű előrelépést jelentenek a haditengerészeti harcban, összehasonlítva azzal, ami a levegőben történt, amikor a sugárhajtóművek helyettesítették a légcsavaros repülőgépeket.
Míg a szuperkavitációs kutatásra elkülönített pénzeszközök hivatalosan csekélyek, a lehetséges szuperkavitációs alapú fegyverek és hadihajók listája hosszú. Ide tartoznak a aknák, csónakok, akár alacsonyan repülő repülőgépek vagy helikopterek felrobbantására szolgáló víz alatti golyók; hajó- és torpedóellenes torpedók; nagyméretű fegyverek, amelyek célja két tengeralattjáró közötti harc befejezése; kicsi, ultragyors felszíni hajók és végül nukleáris tengeralattjáró rakéták, amelyek egy egész haditengerészeti flottilla semlegesítésére szolgálnak.
A szuperkavitáció alkalmazása jelentősen megváltoztathatja a katonai stratégiát. Az Egyesült Államok haditengerészetének egyes szakértői a klasszikus tengeralattjáró-harc végét látják, ahol két hajó macskát és egeret játszott: a jövőbeni összecsapások inkább légiharcra hasonlítanának, ahol olyan kicsi, gyors és zajos egységeket indítanának, mint a vadászgépek a repülőgép-hordozókon egy óriási "tengeralattjáróval". hordozók ". Az ilyen fegyverek hatékonyak lennének az amerikai "csillagháborúk" program rakétavédelmi rendszerével szemben. Egy többlépcsős, nagy hatótávolságú szuperkavitációs torpedót vagy rakétát, amely nukleáris robbanófejekkel van felszerelve, víz alatt lőnek ki, hosszú víz alatti pályát hajtanak végre, majd védelmi rendszerek nélkül kerülnek ki a céljukhoz közeli parti vizekből. A levegőnek vagy az űrnek van ideje reagálni.
Tudjuk, hogy egy szuperkavitációs fegyver - legalábbis - hosszú évek óta létezik. 1977-ben, több mint egy évtizedes kutatás és fejlesztés után, a szovjet haditengerészet felvette arzenáljába egy Squale nevű rakétamotoros meghajtású torpedót, amely óránként több mint 360 kilométer/órás sebességgel halad át a vízen a gáz által termelt üreg belsejében. maga a rakéta. Bár ez a nukleáris meghajtású tengeralattjáró rakéta kezdetleges és korlátozott hatékonyságú, létének felfedezése az 1990-es évek elején arra kényszerítette a nyugati katonai hatalmakat, hogy érdeklődjenek a szuperkavitáció iránt.
A polgári hatóságokat is érdekli ez, és tudják, hogy a szuperkavitációs járművek projektjeit csak az összes műszaki és ökológiai nehézség megoldásával lehet végrehajtani. és pénzügyi, nem is beszélve azokról a problémákról, amelyeket ez a navigációnak jelentene. Ma ez a technika még gyerekcipőben jár, abban a szakaszban, ahol a repülés száz évvel ezelőtt volt, a Wright testvérek két légcsavaros gépén végzett első repülések után, ehhez közelebb jobban ismerjük a szuperkavitáció fizikáját, mint mi aztán ismerte az aerodinamikát.
Kirándulás egy buborékban
Egy tárgy vízzel való meghajtása - amint azt bármelyik úszó látta - jelentős erőfeszítéseket igényel. A súrlódás ott 1000-szer nagyobb, mint a levegőben, és a súrlódási erő a sebességgel növekszik. Annak érdekében, hogy a hajók hatékonyan szeleteljék a pengéket, az építészek és a tengerészmérnökök hidrodinamikus hajótesttel és erőteljes motorokkal látják el a hajókat. A szuperkavitáció a víz súrlódásának csökkentésére szolgál azáltal, hogy az alámerült tárgyat alacsony sűrűségű gázbuborékba burkolja.
Amikor a folyadék gyorsan mozog egy tárgy körül, akkor bizonyos helyeken csökken a nyomása, különösen a tárgy sarkaiban és szélein. A sebesség növekedésével az áramlás nyomása eléri a víz telített gőznyomását, és a folyadék fázisváltozáson megy keresztül: a víz vízgőzzé válik. Más szavakkal, amikor a nyomás túl alacsony az összetartásuk biztosításához, a folyékony vízmolekulák szétszóródva átjutnak a gáz állapotába. Ez a kavitáció jelensége. A hajók számára a kavitáció pestis. Örvényeket hoz létre a hajó körül, amelyek megzavarják a víz áramlását, valamint a szivattyúk, turbinák, propellerek és szárnyashajók (sebességgel emelkedő víz alatti úszó csónakok) működését. A kavitáció akkor is keletkezik, amikor a gázbuborékok eltűnnek (egy folyadékban a gázbuborékok nem szappanbuborékként törnek fel a levegőben, hanem önmagukra omlanak össze), heves lökéshullámok, amelyek torzítják és erodálják a hajótesteket.
A szuperkavitáció extrém kavitáció, ahol egyetlen buborék veszi körül az egész mozgó tárgyat. Óránként 180 kilométer/órát meghaladó sebességnél az objektum elé helyezett lekerekített hegyű kavitátorok és gázbefecskendező rendszerek ilyen kis sűrűségű gázzsebeket, a szuprákat hoznak létre. Ha az objektum hosszúkás és szimmetriatengelyű, akkor a szupertér elöl ellipszoid alakú, és hátulja felé inkább kúpos; hossza a sebességtől függ. Az ellipszoid alakú üreg a környezeti nyomás hatására egy komplex és instabil áramlás jellemzi. Ebben a turbulens régióban, sőt az egész üregben nehéz modellezni az áramlást, mert a nyomás ott nem állandó. Amúgy, amíg a víz csak a kavitort érinti, a szuperkavitációs gépek egy gázbuborék belsejében forognak, minimális súrlódással a folyadéktól.
Az Egyesült Államok haditengerészete az 1950-es évek elején kezdett el érdeklődni a szuperkavitáció iránt a nagy sebességű propellerek és szárnyashajók fejlesztése érdekében, majd más, halkabb technikák felé fordult, a lopakodó hajókat részesítette előnyben a szupergyors hajók helyett. Ma nem lenne szuperkavitációs fegyvere, és megpróbálja utolérni az orosz haditengerészet lövedékek és torpedók terén elért előrelépését.