اژدرها و زیردریایی‌ها
اژدرها، زیردریایی‌ها و غیره...
۱۸ فوریه ۲۰۰۹ - ۲۵ مارس ۲۰۱۰ - ۳۱ ژوئیه ۲۰۱۰
از میان یک پروانه، دبی جرمی Q بر حسب کیلوگرم بر ثانیه می‌گذرد. اگر پروانه نیروی پیشرانش ایجاد می‌کند، به این دلیل است که سیال را در حین عبور شتاب می‌دهد. نیروی پیشرانش که به شافت منتقل می‌شود، آنگاه برابر است با
Q ( V2 - V1 )
که کمیت داخل پرانتز نشان‌دهنده افزایش سرعت است.
این‌گونه است که پروانه گازی یا مایعی را به هم می‌زند. با این حال، تفاوت مهمی میان این دو محیط وجود دارد. مایعات بسیار گرانروتر از گازها هستند. واژه گرانروی برای انسان کوچه و بازار چیز زیادی نمی‌گوید. برای او، آنچه گرانرو است «چسبنده» است. برای یک مکانیک سیالات، سیال گرانرو سیالی است که با سرعت V و چگالی رو در حال گردش، نیروی اصطکاک بزرگ‌تری تولید می‌کند. همین گرانروی بالای آب است که سرعت اژدرهای متعارف را به صد تا صد و بیست کیلومتر بر ساعت محدود می‌کند. فراتر از آن، توان لازم برای حرکت دادن سریع‌تر آن‌ها بازدارنده می‌شود.
پرانتز کوچک: اژدرهای «فوق‌سریع» چگونه کار می‌کنند؟
ترتیبی داده می‌شود که آن‌ها نه در تماس با آب، بلکه در تماس با بخار آب حرکت کنند، بخاری که در دماغهٔ دستگاه با تزریق گازی تولیدشده توسط یک راکت ایجاد می‌شود. این مورد اژدرهای شقوال روسی است که چینی‌ها آن را پذیرفته‌اند و این فناوری را به ایرانی‌ها منتقل کرده‌اند. من این را از سال ۲۰۰۳ در کتابم «اشیای پرندهٔ ناشناخته و سلاح‌های سری آمریکایی» (آلبین میشل) اشاره کرده بودم. معادل آمریکایی آن اژدر «سوپرکاو» است. کاو، به معنای کاویتاسیون. کاویتاسیون چیزی است که به‌طور طبیعی وقتی رخ می‌دهد که یک پروانه کاهش فشار کافی برای تبخیر آب ایجاد کند (وقتی مقدار موضعی فشار به زیر «فشار بخار اشباع» می‌افتد). همین بود که روزنامه‌نگار لاروسری را واداشت بنویسد و در دیداری دوباره به من بگوید «که کافی است اژدر به‌قدر کافی سریع وارد آب شود تا کاویتاسیون رخ دهد و تداوم یابد». او در تأیید سخنانش به گلوله‌های تفنگ شلیک‌شده در آب استناد می‌کرد.
ماما میا. روزنامه‌نگاران علمی دیگر آنچه بودند نیستند....
بیهوده کوشیدم این ایده را از سرش بیرون کنم (این ایده و بسیاری ایده‌های دیگر از همین جنس). اما در چنین مواردی، تسلیم اجتناب‌ناپذیر است. قود فکی.
در ۲۰۰۲-۲۰۰۳ این مفهوم اژدرهای فوق‌سریع به ملاحظات نسبتاً بامزه‌ای انجامیده بود. نمونه‌اش سخن یک دریادار فرانسوی در پاسخ به دوستی که در نمایشگاه سالانهٔ «اوروناوال» حاضر بود:
- می‌دانید، در مورد اژدرها، سرعت همه‌چیز نیست.....
به نظر می‌رسد این دریادار پروژه‌ای را پیش می‌برد. اژدرهای مدرن با راکت‌های پودری پیشرانده می‌شوند. آن‌ها به‌راحتی از ۴۰۰ کیلومتر بر ساعت زیر آب فراتر می‌روند، سیم‌هدایت هستند و با سیم‌هایی هدایت می‌شوند که از قرقره‌های حمل‌شده توسط خود اژدر (و نه نصب‌شده در زیردریایی) باز می‌شوند. برای جلوگیری از اینکه گازهای تف‌شده از نازل سیم‌های هدایت را بسوزانند، این سیم‌ها از بازوهایی باز می‌شوند که پس از پرتاب اژدر از لولهٔ تنگش، به کمک فشاری هوای فشرده، باز می‌شوند (موشک‌های قاره‌پیما نیز به همین شیوه پرتاب و سپس بیرون از زیردریایی روشن می‌شوند).
اژدر روسی شقوال، از نمای عقب. در پهلوهایش ریل‌های جانبی سیم‌هدایتش باز شده‌اند.
لوله‌های پیرامون «فنجان» نازل مرکزی شاید تزریق‌کننده‌های گاز با دمای پایین‌تر باشند که امکان غلاف‌کردن جت اصلی را با ارائهٔ امپدانس صوتی متفاوت فراهم می‌کنند، که آنگاه امکان بازتاب امواج صوتی (تلاطم) منتشرشده از پیشرانهٔ پودری، که پیشاپیش بسیار پرصدا است، را می‌دهد.
با این حال، شاید بپرسید چنین اژدری چگونه هدایت می‌شود. بسیار ساده است. عکس‌های جلوی این ماشین اکنون همه‌جا پخش شده‌اند.
اژدر روسی شقوال، از نمای جلو، در نمایشی برای عموم
جزئیات روزنهٔ خروج گاز داغش، با منحرف‌کنندهٔ نصب‌شده بر گimbال، که هدایت را تأمین می‌کند
گاز در محور خارج می‌شود، آب دریا را که با ۵۰۰ کیلومتر بر ساعت هجوم می‌آورد تبخیر می‌کند. نازل را یک مفصل کروی احاطه کرده که صفحه‌ای دایره‌ای گرد آن می‌گردد و بخار را پیرامون اژدر می‌گستراند. با کج‌کردن آن به کمک دو جک که یکی از آن‌ها دیده می‌شود، لایهٔ بخاری که دیواره‌های اژدر را می‌لیسد و بنابراین سهم مقدار موضعی اصطکاک در هر نقطه را تغییر می‌دهیم. این اژدر که سیم‌هدایت است اما خودهدایت ندارد، بنابراین بسیار خوش‌فرمان است.
۳۱ ژوئیه ۲۰۱۰.
با همکار پژوهشی‌ای برخورد کردم که ریاست یک آزمایشگاه حرارتی در مارسی را بر عهده دارد. همان کسی است که قراردادی با ITER پذیرفته تا شوک‌های حرارتی بر دیواره‌های فلزی را مطالعه کند.
- بله، می‌دانم ITER یک حماقت است. اما می‌فهمی، اگر نمی‌پذیرفتم، می‌توانستم با پستم در دانشگاه خداحافظی کنم.
با گفتن این، می‌دانم که خوشش نخواهد آمد. اما برایم تکان‌دهنده است که پژوهشی این‌قدر کم اخلاق و به‌سادگی کم صداقت باشد. با این حال، امروزه کدام استاد-پژوهشگر هنوز می‌داند واژهٔ اخلاق چه معنایی دارد، جز افرادی مثل ولوی که در INRA با GMO می‌جنگند و از همهٔ امکانات و اعتبارات خلع می‌شوند.
حدود پانزده سال پیش ژان-کلود شارپانتیه مدیر بخش علوم فیزیک برای مهندس در CNRS بود. بولتن CNRS شمارهٔ ویژه‌ای را به روابط میان پژوهشگران و ارتش اختصاص داده بود با عنوان «پژوهشگران، باید با هم حرف بزنیم». در آن صفحات شارپانتیه می‌گفت قراردادهای کافی با ارتش ندارد تا خواسته‌های پژوهشگران را برآورده کند....
بر عیب‌های جبران‌ناپذیر ITER تأکید نمی‌کنم، به‌قدر کافی N بار درباره‌اش حرف زده‌ام. با این حال فشار می‌آورند تا این «رقاصه» ۱۵ میلیارد یورویی را در اوج دورهٔ ریاضت و محدودیت بودجه تصویب کنند. هرچه بادا باد..
امروز زمین در کاداراش پاک‌سازی شده است. وقتی با گلایدر پرواز می‌کنی این زخم پهناور را می‌بینی. اما کارها فعلاً متوقف است تا آنکه این بودجهٔ باز هم فرعونی‌تر تصویب شود. وقتی به «آزمایشگاه MHD»مان فکر می‌کنم که روی یک میز چرخ‌دار جا می‌شود و از پیش نتایج قابل‌انتشار می‌دهد، فراواقعی به نظر می‌رسد...
میز آزمون ما برای آزمایش‌های MHD در چگالی پایین، عملیاتی از ژوئیه ۲۰۱۰
هزینه: ۲۰۰۰ یورو
در همین آزمایشگاه حرارتی، پژوهشگرانی قراردادی با نیروی دریایی دارند تا اژدرهای کاویتاسیونی را مطالعه کنند. به گفتهٔ رئیسشان، این کاویتاسیون «به‌سادگی با سرعت» به دست می‌آید. به عبارت دیگر، در جلوی اژدر (که با راکت پیشرانده می‌شود: فرانسوی‌ها تصمیم گرفته‌اند پروانه را با ۴۰ سال تأخیر کنار بگذارند) مخروطی قرار می‌دهند که در پایین‌دستش کاویتاسیون رخ می‌دهد و باعث می‌شود بقیهٔ اژدر در محیطی از بخار آب پیش برود، که اصطکاک روی پهلوها را کاهش می‌دهد.
-
اما اصطکاک ناشی از مخروط؟
-
آه، آن را نمی‌دانم....
این افراد از فناوری سبک شقوال روسی یا سوپرکاو آمریکایی هیچ نمی‌دانند. می‌توان درباره‌اش حرف زد چون راز پولیشینل است. حتی ایرانی‌ها شقوال‌هایی دارند که از چینی‌ها خریده‌اند و چینی‌ها تحت لیسانس می‌سازند. محصول اصالتاً روسی و ۳۰ یا ۴۰ ساله است.
در سیستم روسی، یک مولد گاز داغ آن را به جلو می‌پراند. آنگاه آب دریا را به بخار تبدیل می‌کند. سیستمی که فرانسوی‌ها ظاهراً هنوز نفهمیده‌اند.
شقوال چگونه هدایت می‌شود؟ نخست با سیم‌هدایت. نگهدارنده‌های سیم‌ها پس از خروج از لولهٔ اژدرانداز از جای خود بیرون می‌آیند. سیستم هدایت با سادگی‌ای که با کارآمدی همراه است در عکس‌ها دیده می‌شود. اما آن را با چند طرح جزئی‌تر می‌کنم.
این را گفتم تا خوب یادآوری کنم که وقتی جسمی در آب جابه‌جا می‌شود، نیروی اصطکاک بزرگی پدیدار می‌شود. نخست به جنبهٔ پسا می‌اندیشیم، اما کشش را فراموش می‌کنیم. نگاهی به طرح زیر بیندازید:
گفتیم که اگر پروانه نیرویی در امتداد محورش، نیروی رانش، تأمین کند، این با شتاب‌گرفتن آب در حین عبور همراه است. این بنابراین با شکل بالا و چپ مطابقت دارد. حاصل‌ضرب رو V S پایسته است، که رو چگالی، V سرعت و S سطح مقطع چیزی است که در مکانیک سیالات «لولهٔ جریان (سیال)» می‌نامیم. چگالی آب، یک کیلو بر لیتر یا هزار کیلو بر متر مکعب (در واحدهای MKSA) ثابت است، چون آب سیالی تراکم‌ناپذیر است. پس حاصل‌ضرب V S ثابت است. در جلوی پروانه همان دبی Q آب در لولهٔ جریانی تنگ‌تر تأمین می‌شود.
تحول پروانه‌ها.
بالاتر از پروانه‌های غلاف‌دار گفتم که هدفشان افزایش بازده است. در واقع پرهٔ پروانه بالی با دهانهٔ بسیار محدود و بنابراین کشیدگی کم است. زیر بال هواپیما (سطح زیرین) فشار افزون و روی آن (سطح بالایی) کاهش فشار ایجاد می‌شود. در نوک بال، هوا گرایش دارد از سطح زیرین به سطح بالایی بگذرد. این به پیدایش دو گردابهٔ حاشیه‌ای در نوک هر بال می‌انجامد. این گردابه‌های چرخان اتلاف انرژی‌اند، این گردابه‌ها به کار برافراشتن هواپیما نمی‌آیند بلکه پرنده‌های کوچک را گرم می‌کنند.
هرچه کشیدگی کمتر باشد، سهم انرژی مصرف‌شده که در این گردابه‌ها تلف می‌شود بیشتر است. به همین دلیل گلایدرها کشیدگی‌های عظیم دارند. مرغ دریایی بهتر از کبوتر پرواز می‌کند.
پروانهٔ غلاف‌دار راهی برای جلوگیری از شکل‌گیری گردابه‌هاست، که مستلزم آن است که نوک پره‌ها، که صاف بریده شده‌اند، بسیار نزدیک غلاف بگردند. اما نکته‌ای بی‌درنگ لازم است: این غلاف باید با دور کاری پروانه سازگار باشد. حاصل‌ضرب سرعت V آب در سطح S باید در ورودی و خروجی یکسان باشد. یعنی طرح غلاف باید با تغییر سرعت (V2 - V1) متناظر با دور پروانه، که به تعداد دور در دقیقه بستگی دارد، متناسب باشد.
در زیردریایی‌های موشک‌انداز یا زیردریایی‌های تهاجمی، می‌کوشند صدا را تا حد امکان کاهش دهند. گردابه‌های پروانه‌ها منابع صدا هستند. پذیرش غلاف راهی برای کاهش آن است و در واحدهای بسیاری در همهٔ کشورها پذیرفته شده است.
ماکت زیردریایی با پیشرانهٔ غلاف‌دار
زیردریایی با غلاف
زیردریایی سی‌ولف
همان، از نمای روبه‌رو
یکی از هیولاهای تایفون روسی، از نمای عقب
این غلاف‌ها فقط در یک سرعت معین، «سرعت سازگاری»شان، کار می‌کنند. بیرون از آن پرصدا می‌شوند (سرعت پایین یا سرعت‌های کم). دادن هندسهٔ متغیر به آن‌ها بیش از حد پیچیده می‌شد. یک راه، مقابله با پیدایش گردابه‌های حاشیه‌ای به‌وسیلهٔ MHD، با تجهیز پره‌ها به شتاب‌دهنده‌های سطحی است.
از چند سال پیش، شناورهای جدید به پروانه‌های «شمشیری» مجهز شده‌اند. به‌تازگی (۲۰۱۰) کاربری اینترنتی توانست این تصویر از یک زیردریایی هسته‌ای آمریکایی، با غلاف، را در پایگاهش در کیتساپ-بنگور در ایالت واشینگتن بگیرد. دو تصویر در پی می‌آید که دومی بزرگ‌نمایی است.
توجه خواهید کرد که کاربر اینترنتی آمریکایی این تصاویر را با گشت‌وگذار روی نرم‌افزاری برای یافتن مسیر رانندگی گرفته است....
پروانهٔ شمشیری یک زیردریایی آمریکایی
این پروانه ویژگی‌های هیدرودینامیکی بسیاری دارد که روزی از آن‌ها برایتان خواهم گفت، که نشان می‌دهد در حوزه‌ای تا این حد کوبیده‌شده همچون پروانه‌های دریایی، هنوز می‌توان پیشرفت‌های اساسی کرد.