Τορπίλες και υποβρύχια
Τορπίλες, υποβρύχια, κ.λπ...
18 Φεβρουαρίου 2009 - 25 Μαρτίου 2010 - 31 Ιουλίου 2010
Μέσα από μια έλικα περνά μια παροχή μάζας Q, σε κιλά ανά δευτερόλεπτο. Αν η έλικα εξασφαλίζει μια δύναμη ώθησης, αυτό σημαίνει ότι επιταχύνει το ρευστό κατά τη διέλευση. Η δύναμη ώθησης, που μεταδίδεται στον άξονα, είναι τότε
Q ( V2 - V1 )
το μέγεθος μέσα στις παρενθέσεις αντιπροσωπεύοντας το κέρδος ταχύτητας.
Έτσι, η έλικα αναδεύει ένα αέριο ή ένα υγρό. Υπάρχει ωστόσο μια σημαντική διαφορά μεταξύ αυτών των δύο μέσων. Τα υγρά είναι πολύ πιο* ιξώδη από τα αέρια. Η λέξη ιξώδες* λέει λίγα στον άνθρωπο του δρόμου. Γι' αυτόν, αυτό που είναι ιξώδες είναι "κολλώδες". Για έναν μηχανικό ρευστών ένα ιξώδες ρευστό είναι ένα ρευστό που, κυκλοφορώντας με ταχύτητα V και με πυκνότητα ρο θα παράγει μεγαλύτερη δύναμη τριβής. Είναι αυτό το σημαντικό ιξώδες του νερού που περιορίζει την ταχύτητα των συμβατικών τορπιλών στα εκατό - εκατόν είκοσι χιλιόμετρα την ώρα. Πέραν αυτού, η ισχύς που θα έπρεπε να παρέχεται για να τις κάνει να κινούνται πιο γρήγορα θα γινόταν απαγορευτική.
Μικρή παρένθεση: πώς λειτουργούν οι "υπερταχείες" τορπίλες;
Τα καταφέρνουμε ώστε να κινούνται, όχι σε επαφή με το νερό αλλά με υδρατμούς, οι οποίοι δημιουργούνται στη μύτη του οχήματος με έγχυση ενός αερίου που παράγεται από έναν πύραυλο. Αυτή είναι η περίπτωση των ρωσικών τορπιλών Shqwal, που υιοθετήθηκαν από τους Κινέζους, οι οποίοι μετέδωσαν αυτή την τεχνολογία στους Ιρανούς. Το είχα επισημάνει αυτό στο βιβλίο μου "ΑΤΕΝ και αμερικανικά μυστικά όπλα" ήδη από το 2003 (Albin Michel). Το αμερικανικό αντίστοιχο είναι η τορπίλη "Supercav". Cav, για σπηλαίωση. Η σπηλαίωση είναι αυτό που συμβαίνει φυσικά όταν μια έλικα δημιουργεί υποπίεση αρκετή ώστε το νερό να εξατμιστεί (όταν η τοπική τιμή της πίεσης πέσει κάτω από "την τάση κορεσμένων ατμών"). Αυτό είχε οδηγήσει τον δημοσιογράφο Larousserie να γράψει, και να μου το επαναλάβει κατά τη διάρκεια μιας συνάντησης, "ότι αρκούσε η τορπίλη να εισέλθει στο νερό αρκετά γρήγορα ώστε να προκληθεί και να συντηρηθεί η σπηλαίωση". Επικαλούνταν προς επίρρωση των λεγομένων του τις σφαίρες τουφεκιού που ρίχνονται στο νερό.
Mamma mia. Οι επιστημονικοί δημοσιογράφοι δεν είναι πια αυτό που ήταν....
Μάταια προσπάθησα να του βγάλω αυτή την ιδέα από το κεφάλι (αυτή την ιδέα και πολλές άλλες του ίδιου είδους). Αλλά σε τέτοιες περιπτώσεις, η εγκατάλειψη επιβάλλεται. Quod feci.
Το 2002-2003 αυτή η αντίληψη της υπερταχούς τορπίλης είχε γεννήσει αρκετά νόστιμες παρατηρήσεις. Μάρτυρας εκείνη ενός Γάλλου ναυάρχου, που απαντούσε σε έναν φίλο, παρόντα σε μια ετήσια εκδήλωση "Euronaval":
- Ξέρετε, σε θέματα τορπιλών, η ταχύτητα δεν είναι το παν .....
Φαίνεται ότι αυτός ο ναύαρχος προωθεί ένα σχέδιο για Οι σύγχρονες τορπίλες προωθούνται από πυραύλους πυρίτιδας. Ξεπερνούν άνετα τα 400 km/h, κάτω από το νερό, είναι τηλεκατευθυνόμενες, καθοδηγούμενες από σύρματα που ξετυλίγονται από πηνία μεταφερόμενα από την τορπίλη (και όχι εγκατεστημένα στο υποβρύχιο). Για να αποφευχθεί το ψήσιμο των συρμάτων καθοδήγησης από τα αέρια που εκτοξεύονται από το ακροφύσιο, αυτά ξετυλίγονται από βραχίονες που αναπτύσσονται μετά την εκτόξευση της τορπίλης έξω από τον στενό αγωγό της, με τη βοήθεια πίδακα πεπιεσμένου αέρα (και οι διηπειρωτικοί πύραυλοι εκτοξεύονται επίσης με τον ίδιο τρόπο και στη συνέχεια αναφλέγονται έξω από το υποβρύχιο).
**Η ρωσική τορπίλη Shqwal, από πίσω. Στα πλευρά της οι πλευρικοί της οδηγοί, τηλεκατεύθυνσης, αναπτυγμένοι. **
Οι σωλήνες που περιβάλλουν το "αβγοθήκη" του κεντρικού ακροφυσίου είναι ίσως εγχυτήρες αερίου χαμηλότερης θερμοκρασίας που επιτρέπουν την επένδυση του κύριου πίδακα, παρουσιάζοντας διαφορετική ακουστική αντίσταση, πράγμα που θα επέτρεπε τότε την ανάκλαση των ηχητικών κυμάτων (τύρβη) που εκπέμπονται από τον προωθητήρα πυρίτιδας, εκ των προτέρων πολύ θορυβώδη.
Τούτου λεχθέντος, μπορεί να αναρωτηθείτε πώς μπορεί να πιλοταριστεί μια τέτοια τορπίλη. Είναι εξαιρετικά απλό. Οι φωτογραφίες του μπροστινού μέρους αυτής της μηχανής κυκλοφορούν τώρα παντού.
**Μια ρωσική τορπίλη Shqwal, από μπροστά, κατά τη διάρκεια μιας παρουσίασης στο κοινό **
Λεπτομέρεια του στομίου εκτόξευσης θερμού αερίου, με εκτροπέα τοποθετημένο σε κάρδανο, που εξασφαλίζει την πιλοτάριση
Το αέριο βγαίνει στον άξονα, εξατμίζει το θαλασσινό νερό, που ορμά με 500 km/h. Το ακροφύσιο περιβάλλεται από μια σφαιρική άρθρωση γύρω από την οποία περιστρέφεται ένας κυκλικός δίσκος που κάνει τον ατμό να απλώνεται γύρω από την τορπίλη. Γέρνοντάς τον με τη βοήθεια δύο υδραυλικών εμβόλων, εκ των οποίων το ένα είναι ορατό, τροποποιούμε το στρώμα ατμού που γλείφει τα τοιχώματα της τορπίλης, άρα τη συμβολή, σε κάθε σημείο, της τοπικής τιμής της τριβής. Αυτή η τορπίλη, τηλεκατευθυνόμενη αλλά χωρίς αυτοκαθοδήγηση, αποδεικνύεται επομένως πολύ ευέλικτη.
31 Ιουλίου 2010.
Συνάντησα έναν συνάδελφο ερευνητή, που διευθύνει ένα εργαστήριο θερμικής στη Μασσαλία. Είναι αυτός που δέχτηκε ένα συμβόλαιο με το ITER, για να μελετήσει θερμικά πλήγματα σε μεταλλικά τοιχώματα.
- Ναι, ξέρω ότι το ITER είναι βλακεία. Αλλά, καταλαβαίνεις, αν δεν δεχόμουν, μπορούσα να πω αντίο στη θέση μου στο πανεπιστήμιο.
Λέγοντας αυτό, ξέρω ότι δεν θα του αρέσει. Αλλά με σοκάρει που ένας ερευνητής έχει τόσο λίγη ηθική και απλώς εντιμότητα. Τούτου λεχθέντος, στις μέρες μας, ποιος διδάσκων-ερευνητής ξέρει ακόμα τι σημαίνει η λέξη ηθική, εκτός από τύπους σαν τον Vélot που αγωνίζονται κατά των ΓΤΟ στο INRA, και βρίσκονται απογυμνωμένοι από κάθε μέσο και πίστωση.
Πριν από περίπου δεκαπέντε χρόνια ο Jean-Claude Charpentier ήταν διευθυντής του τμήματος Επιστήμης Φυσικής για τον Μηχανικό στο Cnrs. Το Courrier du Cnrs είχε βγάλει ένα ειδικό τεύχος αφιερωμένο στις σχέσεις μεταξύ ερευνητών και στρατού, με τίτλο "ερευνητές, πρέπει να μιλήσουμε". Σε αυτές τις σελίδες ο Charpentier έλεγε ότι δεν διέθετε αρκετά συμβόλαια με τον στρατό για να ικανοποιήσει τα αιτήματα των ερευνητών ....
Δεν θα επιμείνω στα ανεπανόρθωτα ελαττώματα του ITER, έχω μιλήσει αρκετά γι' αυτό Ν φορές. Εντούτοις γίνεται πίεση για να περάσει αυτή η "χορεύτρια" των 15 δισεκατομμυρίων ευρώ σε πλήρη περίοδο περιορισμών και λιτότητας. Ό,τι να 'ναι ..
Εκείνη την ημέρα το έδαφος είχε καθαριστεί, στο Cadarache. Βλέπει κανείς αυτή την τεράστια ουλή, όταν πετά με ανεμόπτερο. Αλλά οι εργασίες έχουν προς το παρόν σταματήσει, μέχρι να ψηφιστεί αυτός ο ακόμη πιο φαραωνικός προϋπολογισμός. Όταν σκέφτομαι το "εργαστήριό" μας MHD, που χωράει σε ένα τραπέζι με ρόδες και που αρχίζει ήδη να δίνει δημοσιεύσιμα αποτελέσματα, μου φαίνεται σουρεαλιστικό...
Ο πάγκος δοκιμών μας για πειράματα MHD χαμηλής πυκνότητας, επιχειρησιακός από τον Ιούλιο του 2010
Κόστος: 2000 ευρώ
Σε αυτό το ίδιο εργαστήριο θερμικής ερευνητές έχουν συμβόλαιο με το Ναυτικό, για να μελετήσουν τορπίλες σπηλαίωσης. Σύμφωνα με το αφεντικό τους, αυτή η σπηλαίωση "θα επιτυγχανόταν απλώς με την ταχύτητα". Με άλλα λόγια, τοποθετείται στο μπροστινό μέρος της τορπίλης (προωθούμενης από πύραυλο: οι Γάλλοι αποφασίζουν να εγκαταλείψουν την έλικα, με 40 χρόνια καθυστέρηση) ένας κώνος κατάντη του οποίου παράγεται η σπηλαίωση, κάνοντας το υπόλοιπο της τορπίλης να προχωρά σε περιβάλλον υδρατμών, πράγμα που μειώνει την τριβή στα πλευρά.
-
Αλλά, η αντίσταση που οφείλεται στον κώνο;
-
Α, αυτό δεν το ξέρω....
Τα παιδιά αγνοούν τα πάντα για την τεχνολογία του ρωσικού τύπου Shqwal ή του αμερικανικού supercav. Μπορούμε να μιλάμε γι' αυτό αφού είναι το μυστικό του Πολιτσένικο. Ακόμα και οι Ιρανοί έχουν Shqwal αγορασμένες από τους Κινέζους, που τις κατασκευάζουν υπό άδεια. Το προϊόν είναι ρωσικής προέλευσης, ηλικίας 30 ή 40 ετών.
Στο ρωσικό σύστημα, μια γεννήτρια θερμών αερίων τα εκτοξεύει προς τα εμπρός. Μετατρέπει τότε το θαλασσινό νερό σε ατμό. Ένα σύστημα που οι Γάλλοι φαίνεται να μην έχουν ακόμα καταλάβει.
Πώς πιλοτάρεται μια Shqwal; Πρώτα με τηλεκατεύθυνση. Τα στηρίγματα των συρμάτων βγαίνουν από τις υποδοχές τους μετά την έξοδο από τον σωλήνα εκτόξευσης τορπιλών. Βλέπει κανείς το σύστημα καθοδήγησης, μιας χυδαιότητας που συνδυάζει την αποτελεσματικότητα, στις φωτογραφίες. Αλλά το περιγράφω λεπτομερώς με μερικά σχέδια.
Τα διηγήθηκα αυτά για να σας θυμίσω καλά ότι όταν μετακινούμε ένα αντικείμενο στο νερό, εκδηλώνεται μια σημαντική δύναμη τριβής. Σκέφτεται κανείς πρώτα την πτυχή της αντίστασης, αλλά ξεχνά τη συμπαράσυρση. Ρίξτε μια ματιά στον πίνακα παρακάτω:
Είπαμε ότι αν μια έλικα εξασφάλιζε μια δύναμη μεταδιδόμενη κατά τον άξονά της, μια δύναμη ώθησης, αυτό συμβάδιζε με την επιτάχυνση του νερού, κατά τη διέλευση. Αυτό αντιστοιχεί επομένως στο σχήμα πάνω και αριστερά. Υπάρχει διατήρηση του γινομένου ro V S, όπου ro είναι η πυκνότητα, V η ταχύτητα και S η διατομή αυτού που αποκαλούμε στη μηχανική των ρευστών "σωλήνας ροής (ρευστού)". Η πυκνότητα του νερού, ένα κιλό ανά λίτρο ή χίλια κιλά ανά κυβικό μέτρο (σε μονάδες MKSA) είναι σταθερή, το νερό όντας ασυμπίεστο ρευστό. Άρα το γινόμενο V S είναι σταθερό. Μπροστά από την έλικα η ίδια παροχή Q νερού εξασφαλίζεται σε έναν πιο στενό σωλήνα ροής.
Η εξέλιξη των ελίκων.
Πιο πάνω, μίλησα για τις περικαλυμμένες έλικες, των οποίων ο σκοπός είναι να αυξήσουν την απόδοση. Πράγματι ένα πτερύγιο έλικας είναι ένα φτερό πολύ περιορισμένου εκπετάσματος, άρα μικρής επιμήκυνσης. Μια υπερπίεση δημιουργείται κάτω από ένα φτερό αεροπλάνου (κάτω επιφάνεια) ενώ μια υποπίεση εγκαθίσταται από πάνω (άνω επιφάνεια). Στην άκρη του φτερού ο αέρας τείνει να περάσει από την κάτω στην άνω επιφάνεια. Αυτό οδηγεί στη γέννηση δύο περιθωριακών στροβίλων, στην άκρη κάθε φτερού. Αυτοί οι στροβιλώδεις δίνες είναι απώλειες ενέργειας, αυτοί οι στρόβιλοι δεν χρησιμεύουν για να στηρίζουν τα αεροπλάνα, αλλά για να ζεσταίνουν τα πουλάκια.
Όσο μικρότερη είναι η επιμήκυνση, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το μερίδιο της ενέργειας που δαπανάται, διαχεόμενης σε αυτούς τους στροβίλους. Γι' αυτόν τον λόγο τα ανεμόπτερα έχουν τεράστιες επιμηκύνσεις. Ο άλμπατρος πετά καλύτερα από ένα περιστέρι.
Η περικαλυμμένη έλικα είναι ένας τρόπος να εμποδιστεί η εγκαθίδρυση των στροβίλων, πράγμα που συνεπάγεται ότι τα άκρα των πτερυγίων, κομμένα καθαρά, κινούνται πολύ κοντά στο περικάλυμμα. Αλλά μια παρατήρηση επιβάλλεται αμέσως: αυτό το περικάλυμμα πρέπει να είναι προσαρμοσμένο στο καθεστώς λειτουργίας της έλικας. Το γινόμενο της ταχύτητας V του νερού επί τη διατομή S πρέπει να είναι το ίδιο στην είσοδο και στην έξοδο. Δηλαδή το σχέδιο του περικαλύμματος πρέπει να είναι σε σχέση με τη μεταβολή ταχύτητας (V2 - V1) που αντιστοιχεί στο καθεστώς της έλικας, το οποίο εξαρτάται από τον αριθμό στροφών ανά λεπτό.
Στα υποβρύχια εκτόξευσης πυραύλων ή στα υποβρύχια κρούσης, επιδιώκεται η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη μείωση του θορύβου. Οι στρόβιλοι των ελίκων είναι πηγές θορύβου. Η υιοθέτηση περικαλύμματος είναι μια λύση για τη μείωση αυτού, και έχει υιοθετηθεί σε αρκετές μονάδες, σε όλες τις χώρες.
**Μακέτα υποβρυχίου με περικαλυμμένο προωθητήρα **
**Υποβρύχιο με περικάλυμμα **
**Υποβρύχιο Sea Wolf **
Το ίδιο, από μπροστά
Ένα από τα ρωσικά τέρατα Typhon, από πίσω
Αυτά τα περικαλύμματα λειτουργούν μόνο σε μια δεδομένη ταχύτητα, την "ταχύτητα προσαρμογής" τους. Έξω από αυτήν, γίνονται θορυβώδη (χαμηλή ταχύτητα ή χαμηλές ταχύτητες). Θα ήταν πολύ περίπλοκο να τους δοθεί μεταβλητή γεωμετρία. Μια λύση είναι να παρεμποδιστεί η γέννηση περιθωριακών στροβίλων με τη MHD, εξοπλίζοντας τα πτερύγια με παρειακούς επιταχυντές.
Εδώ και μερικά χρόνια, τα νέα υποβρύχια οχήματα είναι εφοδιασμένα με έλικες "σπάθης". Πρόσφατα (2010) ένας χρήστης του διαδικτύου μπόρεσε να συλλάβει αυτή την εικόνα ενός αμερικανικού πυρηνικού υποβρυχίου, με περικάλυμμα, στη βάση του Kitsap-Bangor, στην πολιτεία της Ουάσιγκτον. Ιδού δύο εικόνες, η δεύτερη αντιστοιχεί σε ζουμ.
**Θα παρατηρήσει κανείς ότι ο Αμερικανός χρήστης του διαδικτύου συνέλαβε αυτές τις εικόνες σερφάροντας σε ένα λογισμικό αναζήτησης διαδρομής για αυτοκινητιστική μετακίνηση .... **
Έλικα σπάθης αμερικανικού υποβρυχίου
Αυτή η έλικα διαθέτει πολλές υδροδυναμικές αρετές, για τις οποίες θα σας μιλήσω μια μέρα, πράγμα που δείχνει ότι σε έναν τομέα τόσο πολυσυζητημένο όσο αυτός των θαλάσσιων ελίκων, ουσιαστικές πρόοδοι μπορούν ακόμα να επιτευχθούν.