Торпеди та підводні човни
Торпеди, підводні човни тощо...
18 лютого 2009 - 25 березня 2010 - 31 липня 2010
Через гвинт проходить масова витрата Q, у кілограмах за секунду. Якщо гвинт забезпечує силу тяги, то це означає, що він прискорює рідину під час проходження. Сила тяги, передана на вал, тоді становить
Q ( V2 - V1 )
де величина в дужках являє собою приріст швидкості.
Саме так гвинт перемішує газ або рідину. Однак між цими двома середовищами існує важлива різниця. Рідини значно в'язкіші за гази. Слово в'язкість мало що говорить пересічній людині. Для неї в'язке — це "липке". Для механіка рідин в'язка рідина — це рідина, яка, рухаючись зі швидкістю V і з густиною ro, створюватиме більшу силу тертя. Саме ця значна в'язкість води обмежує швидкість звичайних торпед до ста — ста двадцяти кілометрів на годину. Понад це потужність, необхідна для їхнього швидшого руху, стала б непомірною.
Маленький відступ: як працюють "гіпершвидкісні" торпеди?
Їх змушують рухатися не в контакті з водою, а з водяною парою, яка створюється в носовій частині апарата шляхом упорскування газу, виробленого ракетою. Так є у випадку російських торпед Шквал, прийнятих на озброєння китайцями, які передали цю технологію іранцям. Я повідомляв про це у своїй книзі "НЛО та американська секретна зброя" ще 2003 року (Albin Michel). Американський еквівалент — торпеда "Supercav". Cav — від кавітації. Кавітація — це те, що виникає природно, коли гвинт створює достатнє розрідження, щоб вода закипіла (коли локальне значення тиску падає нижче за "тиск насиченої пари"). Саме це спонукало журналіста Ларуссері написати, а згодом і повторити мені під час однієї зустрічі, "що достатньо, аби торпеда увійшла у воду досить швидко, щоб кавітація виникла й підтримувалася". На підтвердження своїх слів він наводив кулі, випущені з рушниці у воду.
Mamma mia. Наукові журналісти вже не ті, що були...
Я марно намагався вибити цю думку йому з голови (цю думку й багато інших такого ж ґатунку). Але в таких випадках доводиться здаватися. Quod feci.
У 2002-2003 роках ця концепція гіпершвидкісних торпед породила досить кумедні зауваження. Свідченням тому — зауваження одного французького адмірала у відповідь другові, присутньому на щорічній виставці "Euronaval":
- Знаєте, у питанні торпед швидкість — це ще не все.....
Схоже, цей адмірал просуває проєкт... Сучасні торпеди приводяться в рух пороховими ракетами. Вони легко перевищують 400 км/год під водою, керуються по дроту, керовані дротами, що розмотуються з котушок, які транспортує торпеда (а не встановлених на борту підводного човна). Щоб гази, вивержені соплом, не пропалювали дроти наведення, ті розмотуються з кронштейнів, які розкриваються після викидання торпеди з її вузького апарата за допомогою струменя стисненого повітря (міжконтинентальні ракети також викидаються в такий самий спосіб, а потім запалюються поза підводним човном).
Російська торпеда Шквал, вигляд ззаду. На її бортах — бічні напрямні для дротового наведення, розгорнуті.
Трубки, що оточують "чарочку" центрального сопла, можливо, є інжекторами газу з нижчою температурою, які дозволяють обгорнути основний струмінь, створюючи інший акустичний імпеданс, що дало б змогу відбивати звукові хвилі (турбулентність), випромінювані пороховим двигуном, апріорі дуже гучним.
Однак ви можете запитати, як такою торпедою можна керувати. Це надзвичайно просто. Фотографії передньої частини цієї машини тепер валяються всюди.
Російська торпеда Шквал, вигляд спереду, під час публічної презентації
Деталь її отвору для викидання гарячого газу з дефлектором, встановленим на карданних шарнірах, що забезпечує керування
Газ виходить по осі, випаровує морську воду, яка вривається зі швидкістю 500 км/год. Сопло оточене сферичним шарніром, навколо якого обертається кругла пластина, що розвіює пару навколо торпеди. Нахиляючи її за допомогою двох приводів, один з яких видно, змінюють шар пари, що омиває стінки торпеди, а отже, внесок у кожному місці локального значення опору тертя. Ця торпеда, керована по дроту, але позбавлена самонаведення, виявляється тому дуже маневреною.
31 липня 2010.
Я зустрів колегу-дослідника, який керує лабораторією теплотехніки в Марселі. Це той, хто погодився на контракт з ITER, щоб вивчати термічні удари на металевих стінках.
- Так, я знаю, що ITER — це дурниця. Але, розумієш, якби я не погодився, міг би попрощатися зі своєю посадою в університеті.
Розповідаючи це, я знаю, що йому це не сподобається. Але мене шокує, що дослідник має так мало етики і просто чесності. Однак у наші дні хто з викладачів-дослідників ще знає, що означає слово етика, крім таких типів, як Вело, які борються проти ГМО в INRA і опиняються позбавленими всіх засобів і кредитів.
Близько п'ятнадцяти років тому Жан-Клод Шарпантьє був директором відділу фізичних наук для інженерів у Cnrs. Вісник Cnrs випустив спеціальний номер, присвячений відносинам між дослідниками та армією, під назвою "дослідники, нам треба поговорити". На тих сторінках Шарпантьє казав, що не має достатньо контрактів з армією, щоб задовольнити запити дослідників...
Я не наполягатиму на непоправних вадах ITER, я вже достатньо про них говорив N разів. Однак наполягають, щоб проштовхнути цю "танцівницю" за 15 мільярдів євро в розпал періоду обмежень і жорсткої економії. Абищо..
Цього дня майданчик було розчищено в Кадараші. Видно цей величезний шрам, коли летиш на планері. Але роботи наразі зупинені, доки не буде проголосовано цей ще більш фараонівський бюджет. Коли думаю про нашу "лабораторію МГД, яка вміщується на столику на коліщатках і вже починає давати результати, гідні публікації, це здається сюрреалістичним...
Наш випробувальний стенд для експериментів з МГД у низькій густині, робочий з липня 2010
Вартість: 2000 євро
У цій самій лабораторії теплотехніки дослідники мають контракт з ВМС, щоб вивчати кавітаційні торпеди. За словами їхнього керівника, ця кавітація "просто досягалася б швидкістю". Іншими словами, на ніс торпеди (яка приводиться в рух ракетою: французи вирішують відмовитися від гвинта із 40-річним запізненням) ставлять конус, за яким виникає кавітація, завдяки чому решта торпеди рухається в середовищі водяної пари, що зменшує опір тертя на боках.
-
Але ж опір через конус?
-
А це я не знаю....
Хлопці нічого не тямлять у технології на кшталт російського Шквала чи американської supercav. Можна про це говорити, бо це секрет Полішинеля. Навіть іранці мають Шквали, куплені в китайців, які виготовляють їх за ліцензією. Продукт російський за походженням, віком 30 чи 40 років.
У російській системі генератор гарячих газів викидає їх уперед. Він тоді перетворює морську воду на пару. Система, яку французи, здається, ще не зрозуміли.
Як керують Шквалом? Спершу дротовим наведенням. Тримачі дротів виходять зі своїх гнізд після виходу з торпедного апарата. Систему наведення, грубу до примітивності, що поєднує ефективність, видно на фотографіях. Але я її деталізую кількома малюнками.
Я розповів це, щоб добре нагадати вам, що коли переміщують об'єкт у воді, виникає значна сила тертя. Спершу думають про аспект опору, але забувають про захоплення. Погляньте на таблицю нижче:
Було сказано, що якщо гвинт забезпечує силу, передану вздовж його осі, силу тяги, то це йде в парі з прискоренням води під час проходження. Це відповідає малюнку вгорі ліворуч. Має місце збереження добутку ro V S, де ro — густина, V — швидкість, а S — площа поперечного перерізу того, що в механіці рідин називають "трубкою течії (рідини)". Густина води, один кілограм на літр або тисяча кілограмів на кубічний метр (в одиницях MKSA), є сталою, оскільки вода — нестислива рідина. Тож добуток V S є сталим. Перед гвинтом та сама витрата Q води забезпечується у вужчій трубці течії.
Еволюція гвинтів.
Вище я говорив про гвинти в насадках, мета яких — підвищити ККД. Справді, лопать гвинта — це крило дуже обмеженого розмаху, тобто малого видовження. Під крилом літака (нижня поверхня) створюється надлишковий тиск, тоді як над ним (верхня поверхня) встановлюється розрідження. На кінці крила повітря має тенденцію переходити з нижньої поверхні на верхню. Це спричиняє народження двох крайових вихорів на кінці кожного крила. Ці вихрові утворення є втратами енергії, ці вихори не слугують для підтримання літаків, а для нагрівання пташок.
Чим менше видовження, тим вищою буде частка витраченої енергії, розсіяної в цих вихорах. Саме тому планери мають величезні видовження. Альбатрос літає краще за голуба.
Гвинт у насадці — це спосіб перешкодити встановленню вихорів, що означає, що кінці лопатей, обрізані начисто, рухаються дуже близько до насадки. Але одразу напрошується зауваження: ця насадка має бути пристосована до режиму, в якому працює гвинт. Добуток швидкості води V на переріз S має бути однаковим на вході й на виході. Тобто форма насадки має відповідати зміні швидкості (V2 - V1), що відповідає режиму гвинта, який залежить від кількості обертів за хвилину.
На підводних човнах-носіях ракет або ударних підводних човнах намагаються якомога більше зменшити шум. Вихори гвинтів є джерелами шуму. Застосування насадки — це рішення для його зменшення, і його було прийнято на чималій кількості одиниць у всіх країнах.
Макет підводного човна з рушієм у насадці
Підводний човен з насадкою
Підводний човен Sea Wolf
Той самий, вигляд спереду
Один з російських монстрів Тайфун, вигляд ззаду
Ці насадки працюють лише на заданій швидкості, їхній "швидкості пристосування". Поза нею вони стають гучними (низька швидкість або малі швидкості). Надати їм змінної геометрії було б надто складно. Одне з рішень — протидіяти народженню крайових вихорів за допомогою МГД, наділивши лопаті пристінними прискорювачами.
Останніми роками нові підводні апарати оснащують "шаблеподібними" гвинтами. Нещодавно (2010) один інтернет-користувач зміг зняти це зображення американського атомного підводного човна з насадкою на його базі Кітсап-Бангор у штаті Вашингтон. Ось два зображення, друге відповідає збільшенню.
Зауважимо, що американський інтернет-користувач зняв ці зображення, блукаючи в програмі пошуку маршрутів для автомобільних поїздок....
Шаблеподібний гвинт американського підводного човна
Цей гвинт має численні гідродинамічні якості, про які я вам колись розповім, що показує: навіть у такій переораній ділянці, як морські гвинти, ще можна досягти істотного прогресу.