Суперкавитация - Supercavitation

Объект (черный) встречает жидкость (синий) на высокой скорости. Давление жидкости позади объекта опускается ниже давления пара жидкости, образуя пузырь пара (полость), который охватывает объект и снижает сопротивление.

Суперкавитация использование кавитационного пузыря для уменьшения трения кожи тянуть на затопленном объекте и включите высокие скорости. Приложения включают торпеды и пропеллеры, но теоретически эту технику можно распространить на все подводное судно.

Физический принцип

Кавитация это образование пузырьков пара в жидкости, вызванное обтеканием объекта. Пузырьки образуются, когда вода ускоряется вокруг острых углов, а давление падает ниже давление газа. Давление увеличивается при замедлении, и вода обычно повторно поглощает пар; однако пузырьки пара могут взорваться и вызвать небольшие концентрированные импульсы, которые могут повредить такие поверхности, как гребные винты судов и крыльчатки насосов.

Возможность образования пузырьков пара в жидкости определяется безразмерным число кавитации. Оно равно местному давлению минус давление пара, деленному на динамическое давление. При увеличении глубины (или давления в трубопроводе) потенциал кавитации ниже, поскольку разница между местным давлением и давлением пара больше.

Суперкавитирующий объект - это высокоскоростной подводный объект, который предназначен для создания кавитационного пузыря у его носа. Пузырек расширяется (естественным путем или с добавлением газа, генерируемого внутри) за пределы на корме конец объекта и предотвращает контакт между сторонами объекта и жидкостью. Такое разделение существенно снижает сопротивление трением кожи на суперкавитационном объекте.

Ключевой особенностью объекта с суперкавитацией является носик, который обычно имеет острый край по периметру, образующий кавитационный пузырь.[1] Нос может быть шарнирным и иметь форму плоского диска или конуса. Форма суперкавитирующего объекта обычно тонкая, поэтому кавитационный пузырь охватывает объект. Если пузырек недостаточно длинный, чтобы охватить объект, особенно на более низких скоростях, пузырек можно увеличить и удлинить, введя газ под высоким давлением рядом с носом объекта.[1]

Очень высокая скорость, необходимая для суперкавитации, может быть временно достигнута с помощью подводных снарядов и снарядов, попадающих в воду. Для устойчивой суперкавитации используется ракетный двигатель, и ракетный газ под высоким давлением может быть направлен в носовую часть для увеличения кавитационного пузыря. В принципе, суперкавитационными объектами можно управлять различными способами, в том числе следующими:

  • Перетащите плавники, которые выступают из пузыря, в окружающую жидкость.[2] (стр.22)
  • Наклоненный нос объекта
  • Газ вводится асимметрично возле носа для искажения геометрии полости
  • Управление тягой ракеты за счет подвеса для одного сопла
  • Дифференциальная тяга от нескольких форсунок[1]

Приложения

В ВМФ России разработал ВА-111 Шквал суперкавитация торпеда,[3][4] который использует ракетную тягу и превышает скорость обычных торпед как минимум в пять раз. НИИ-24 начал разработку в 1960 году под кодовым названием «Шквал» (Шквал). ВА-111 Шквал находится на вооружении (исключительно ВМФ России) с 1977 года, серийное производство началось в 1978 году. Было разработано несколько моделей, наиболее успешная из которых - М-5, построенная к 1972 году. С 1972 по 1977 год более Проведено 300 испытательных пусков (95% из них на Озеро Иссык-Куль ).[нужна цитата ]

В 2004 г. Немецкий производитель оружия Diehl BGT Defense объявили свои "собственные" суперкавитационная торпеда, Барракуда, теперь официально названная Superkavitierender Unterwasserlaufkörper (Английский: суперкавитация подводного бегущего тела). По словам Диля, он развивает скорость более 400 километров в час (250 миль в час).[5]

В 1994 г. ВМС США приступили к разработке системы быстрого разминирования с воздуха (RAMICS), морская шахта оформление система, изобретенная C Tech Defense Corporation. Система основана на суперкавитационном снаряде, устойчивом как в воздухе, так и в воде. Снаряды RAMICS производятся диаметром 12,7 миллиметра (0,50 дюйма), 20 миллиметров (0,79 дюйма) и 30 миллиметров (1,2 дюйма).[6] Конечная баллистическая конструкция снаряда позволяет уничтожать морские мины на глубине до 45 метров (148 футов) одним выстрелом.[7] В 2000 г. Абердинский полигон, Снаряды RAMICS стреляли из парящего Морская кобра боевой корабль успешно уничтожил ряд подводных мин. По состоянию на март 2009 г. Northrop Grumman завершен начальный этап испытаний RAMICS для внедрения в состав флота.[8]

Иран заявили, что успешно испытали свою первую суперкавитационную торпеду, Крик (Кит), 2-3 апреля 2006 г. Некоторые источники предполагают, что он основан на российском ВА-111 Шквал суперкавитационная торпеда, летящая с той же скоростью.[9] Министр иностранных дел России Сергей Лавров отказано в поставке Ирану технологии.[10]

В 2005 году, DARPA объявила о программе Underwater Express, исследовательской и оценочной программе для демонстрации использования суперкавитации в высокоскоростных подводных лодках. Конечная цель ВМС США - создание нового класса подводных аппаратов для прибрежный миссии, которые могут перевозить небольшие группы военно-морского персонала или специализированные военные грузы на скорости до 100 узлов. DARPA заключило контракты с Northrop Grumman и Электрическая лодка General Dynamics в конце 2006 г.[нужна цитата ] В 2009 году DARPA объявило о разработке нового класса подводных лодок:

Конструктор подводной лодки, Electric Boat, работает над моделью в четверть размера для ходовых испытаний у побережья Род-Айленда. Если испытания пройдут успешно, Electric Boat начнет производство полномасштабной 100-футовой подводной лодки. В настоящее время самая быстрая подводная лодка ВМФ может развивать скорость только от 25 до 30 узлов в подводном положении. Но если все пойдет по плану, «Подводный экспресс» будет развивать скорость 100 узлов, что позволит доставлять людей и снаряжение быстрее, чем когда-либо.[11]

Прототип корабля под названием Призрак, использует суперкавитацию, чтобы двигаться по двум стойкам с заостренными краями. Он был разработан для скрытных операций Грегори Санкофф из Джульетта Марин Системс. Судно плавно движется по неспокойной воде и развивает скорость 29 узлов.[12]

Художественная визуализация суперкавитирующего винта в действии

В ВМС Китая[13][14][15] и ВМС США[16] сообщается, что работают над собственными суперкавитационными подводные лодки с использованием технической информации, полученной по российской суперкавитационной торпеде ВА-111 Шквал.

А суперкавитационный пропеллер использует суперкавитацию для уменьшения количества воды трение кожи и увеличить скорость гребного винта. Конструкция используется в военных приложениях, высокопроизводительна. гонки лодки, и модели гоночных лодок. Он работает полностью погруженным в воду с клиновидными лопастями, чтобы вызвать кавитацию на всей передней поверхности, начиная с передней кромки. Поскольку полость сжимается позади лопасти, пропеллер с суперкавитацией избегает скалывание повреждения, вызванные кавитацией, которая является проблемой для обычных гребных винтов.[нужна цитата ]

Суперкавитационные боеприпасы используются с немецкими (Heckler & Koch P11 ) и русский подводное огнестрельное оружие,[17] и другое подобное оружие.

Предполагаемые инциденты

В Курск По слухам, авария подводной лодки была вызвана неисправной суперкавитационной торпедой «Шквал»,[18] хотя более поздние свидетельства указывают на неисправную торпеду 65-76 (см. Курск подводная катастрофа ).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Эшли, Стивен (май 2001 г.). «Подводный варп-двигатель». Scientific American: 70–79.
  2. ^ http://www.aem.umn.edu/research/supercavitation/documents/thesis_eric.pdf
  3. ^ «Шквал Торпеды (Барракуды) и суперкавитация - лазейка в физике сигнализации подводного экипажа». www.articlesextra.com.
  4. ^ "Ucg.com". www.periscope.ucg.com. Архивировано из оригинал на 2003-12-15. Получено 2010-03-23.
  5. ^ "Diehl BGT Defense: Unterwasserlaufkörper". Архивировано из оригинал на 2009-08-25. Получено 2006-10-07.
  6. ^ «Бронебойный снаряд MK258, стабилизированный плавником, сбрасываемый сабо-трассирующий снаряд (APFSDS-T), противоминный снаряд с гидробаллистическими патронами». www.globalsecurity.org.
  7. ^ «Проекты C Tech Defense: технологии воздушного лазерного наведения и сверхкавитирующие снаряды». www.ctechdefense.com.
  8. ^ «Команда Northrop Grumman-Navy превзошла ожидания во время испытаний оружия для разминирования». Отдел новостей Northrop Grumman. Получено 2019-09-20.
  9. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2008-07-04. Получено 2008-08-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт) [1] [2] В архиве 2007-02-28 на Wayback Machine
  10. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2007-03-11. Получено 2007-02-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  11. ^ «DARPA готовит сверхбыструю мини-подводную лодку». Популярная наука.
  12. ^ Кэролайн Винтер (21.08.2014). «Эта лодка-невидимка может быть слишком новаторской для Пентагона». Bloomberg BusinessWeek.
  13. ^ «Китайская сверхзвуковая подводная лодка, которая может пройти из Шанхая в Сан-Франциско за 100 минут, становится все ближе к реальности - ExtremeTech». www.extremetech.com.
  14. ^ «Шанхай - Сан-Франциско за 100 минут на китайской сверхзвуковой подводной лодке». Южно-Китайская утренняя почта. 24 августа 2014 года.
  15. ^ Крейн +, Дэвид. «Китайские военные разрабатывают суперкавитирующую сверхзвуковую подводную лодку для высокоскоростной морской войны». DefenseReview.com (DR): онлайн-журнал о тактических технологиях и военных оборонных технологиях, в котором особое внимание уделяется последним и важнейшим новостям в области тактического огнестрельного оружия (новости о тактическом оружии), новостях о тактическом снаряжении и новостях тактической стрельбы..
  16. ^ «ВМС США разрабатывают« сверхзвуковые подводные лодки », которые могут рассекать океан со скоростью звука, используя пузырь». www.defense-aerospace.com.
  17. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2004-10-25. Получено 2004-11-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  18. ^ Герц, Билл (23 августа 2001 г.). «Русская книга проливает свет на ракету». Вашингтон Таймс. п. А.4.

дальнейшее чтение

  • Управление военно-морских исследований (2004, 14 июня). Механика и преобразование энергии: высокоскоростное (суперкавитационное) подводное вооружение (D&I). Получено 12 апреля 2006 г. из Домашняя страница Управления военно-морских исследований
  • Савченко Ю.Н. (н.о.). CAV 2001 - Четвертый ежегодный симпозиум по кавитации - Калифорнийский технологический институт, последнее обращение 9 апреля 2006 г., архив: Wayback Machine
  • Харгроув, Дж. (2003). Суперкавитационные и аэрокосмические технологии в создании скоростных подводных аппаратов. В 42-я встреча и выставка AIAA Aerospace Sciences. Техасский университет A&M.
  • Киршнер и др. (2001, октябрь) Исследования и разработки в области суперкавитации. Подводные оборонные технологии
  • Миллер, Д. (1995). Суперкавитация: воевать в пузыре. Обзор разведки Джейн. Получено 14 апреля 2006 г. из Оборона и безопасность Разведка и анализ | Джейн 360
  • Грэм-Роу и Дункан. (2000). Быстрее, чем летящая пуля. Новый ученый, 167(2248), 26-30.
  • Тулин, М. (1963). Суперкавитационные потоки - теория малых возмущений. Лорел, Мэриленд, Hydronautics Inc.
  • Ниам Дж. В (декабрь 2014 г.), Численное моделирование суперкавитации

внешние ссылки